2020年12月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等學(xué)者與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建76光子的“九章”光量子計算原型機(jī)，論文發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上。“九章”的命名是為了紀(jì)念中國古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。

2021年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團(tuán)隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功研制113光子144 模式的可相位編程“九章二號” ，成果刊登在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上。這一突破使我國成為全球第二個(第一個為谷歌的 Sycamore )實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。
“九章三號”再創(chuàng)紀(jì)錄
在兩年后，他們再次宣布已成功構(gòu)建量子計算原型機(jī)“九章三號”，計算速度比目前全球最快的超級計算機(jī)快一億億倍。


央視新聞、新華社等多家媒體報道了這一令人興奮的消息
10月11日據(jù)中科大官網(wǎng)報道，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團(tuán)隊與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建了255個光子的量子計算原型機(jī)“九章三號”，再度刷新了光量子信息的技術(shù)水平和量子計算優(yōu)越性的世界紀(jì)錄。
科研人員設(shè)計了時空解復(fù)用的光子探測新方法，構(gòu)建了高保真度的準(zhǔn)光子數(shù)可分辨探測器，提升了光子操縱水平和量子計算復(fù)雜度。根據(jù)公開正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典精確采樣算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號”提升一百萬倍。“九章三號”在百萬分之一秒時間內(nèi)所處理的最高復(fù)雜度的樣本，需要當(dāng)前最強(qiáng)的超級計算機(jī)“前沿”(Frontier)花費超過二百億年的時間。這一成果進(jìn)一步鞏固了我國在光量子計算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。
實驗裝置示意圖(圖自：中科大)
如果沒有他們，“九章三號”還要晚一年出來
在“九章三號”的研發(fā)過程中，還有一個小插曲。
2021年11月24日，中國科技大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心發(fā)布的一則《關(guān)于對理化大樓06-004實驗室漏水進(jìn)行及時處置的相關(guān)人員進(jìn)行獎勵的通報》顯示，量子計算機(jī)“九章”實驗室發(fā)生漏水，5名學(xué)生及時處置本次險情，避免了至少2400萬元財產(chǎn)損失和可能造成的“九章三號”的研發(fā)延誤。

通報提及，凌晨兩點去01-004實驗室調(diào)試程序的鐘翰森同學(xué)首先發(fā)現(xiàn)漏水，他立即召集隔壁實驗室的博士后吳典和覃儉、鄧宇浩、彭禮超等同學(xué)一起積極引水，并及時通知物業(yè)踹開06-004室房門，關(guān)閉了水閥。
通報指出，由于及時發(fā)現(xiàn)并緊急處置，實驗室漏水被第一時間有效導(dǎo)流至他處并收集，除造成01-004實驗室一臺臺式電腦損壞外，未造成其他損失。為此，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心研究決定，給予5名學(xué)生共計稅后12萬元的獎勵。

這五名學(xué)生名為吳典、覃儉、鄧宇浩、彭禮超和鐘翰森，關(guān)注量子計算領(lǐng)域的人看到這幾個名字應(yīng)該很熟悉。去年登上Sicence的中國量子研究，「Quantum computational advantage using photons」的作者，以及“九章”和“九章二號”成果論文作者名單，都包含這五位。

巧合的是，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心當(dāng)時剛被美方列入“實體清單”，而獲發(fā)獎金的五子均有參與“九章”論文寫作，勇救“九章”行動成為佳話。如果當(dāng)時漏水事件未得到及時處置，會延誤“九章三號”實驗一年以上。
這張通報，再次讓我們感受到“九章”的重要性。據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官微介紹，量子計算機(jī)的研制是世界各國角逐的焦點，而“九章”光量子計算原型機(jī)確立了中國在國際量子計算研究中的第一方陣地位。盡管距離實際應(yīng)用仍有漫漫長路，但成功實現(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”的里程碑式突破。
光量子計算的國際競爭態(tài)勢
量子計算是后摩爾時代的一種新的計算范式，它在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定量子算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟(jì)價值的問題方面相比經(jīng)典計算機(jī)實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。因而，研制量子計算機(jī)是當(dāng)前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。
為此，國際學(xué)術(shù)界制定了三步走的發(fā)展路線。其中，第一步是實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”，即通過對近百個量子比特的高精度量子調(diào)控，對特定問題的求解展現(xiàn)超級計算機(jī)無法比擬的算力，這標(biāo)志著40年前 Feynman等人的夢想成為現(xiàn)實?！傲孔佑嬎銉?yōu)越性”實驗還可用于檢驗計算科學(xué)的“擴(kuò)展的丘奇—圖靈論題”。同時，在此過程中，發(fā)展出可擴(kuò)展的量子調(diào)控技術(shù)，為具備容錯能力的通用量子計算機(jī)的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)。
2019年，美國谷歌和加州大學(xué)發(fā)布了53比特“懸鈴木”超導(dǎo)量子計算處理器，宣稱用200秒求解的隨機(jī)線路采樣問題需要超級計算機(jī)一萬年時間求解。然而，這一宣稱隨后受到了中國科學(xué)家的挑戰(zhàn)，改進(jìn)后的經(jīng)典算法使得超算上的計算時間從一萬年縮短到數(shù)十秒，快于“懸鈴木”量子處理器。
光量子計算的國際競爭態(tài)勢(圖自：央視新聞)
據(jù)介紹，玻色取樣是用來展示量子計算優(yōu)越性的特定任務(wù)中的一項，大致可以理解為：“一個光路有很多個出口，問每一個出口有多少光出去?！薄熬耪隆备皯意從尽钡膮^(qū)別，一是處理的問題不同，二是用來造量子計算機(jī)的物理體系不同?！熬耪隆庇玫氖枪鈱W(xué)，“懸鈴木”用的是超導(dǎo)。技術(shù)路線不同，“九章”在同樣的賽道上比“懸鈴木”快一百億倍，這就是等效速度，牢固確立了中國在國際量子計算研究中“第一方陣”地位。
唯一在光學(xué)和超導(dǎo)上都達(dá)到“量子優(yōu)越性”的國家
2020年，中國科大團(tuán)隊成功構(gòu)建76光子的“九章”光量子計算原型機(jī)[Science 370, 1460 (2020)]，首次在國際上實現(xiàn)光學(xué)體系的“量子計算優(yōu)越性”，并克服了谷歌實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。2021年，中國科大團(tuán)隊進(jìn)一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號”[PRL 127, 180502 (2021)]和56比特的“祖沖之二號”量子計算原型機(jī)[PRL 127, 180501 (2021)]，使我國成為唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩種技術(shù)路線都達(dá)到了“量子計算優(yōu)越性”的國家。
在這個“量子計算優(yōu)越性”戰(zhàn)略高地，國際競爭呈現(xiàn)出白熱化。位于加拿大多倫多的Xanadu公司與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院合作，采用與“九章”光量子計算原型機(jī)相同的高斯玻色取樣路線，在2022年發(fā)布了216光子的“北極光”量子處理器，在國際上第二個實現(xiàn)了光學(xué)體系“量子計算優(yōu)越性”。
光量子計算的國際競爭態(tài)勢(圖自：中科大)
中國科大團(tuán)隊在理論上首次發(fā)展了包含光子全同性的新理論模型，實現(xiàn)了更精確的理論與實驗的吻合;同時，發(fā)展了完備的貝葉斯驗證和關(guān)聯(lián)函數(shù)驗證，全面排除了所有已知的經(jīng)典仿冒算法，為量子計算優(yōu)越性提供了進(jìn)一步數(shù)據(jù)支撐。在技術(shù)上，研制了基于光纖時間延遲環(huán)的超導(dǎo)納米線探測器，把多光子態(tài)分束到不同空間模式并通過延時把空間轉(zhuǎn)化為時間，實現(xiàn)了準(zhǔn)光子數(shù)可分辨的探測系統(tǒng)。
這一系列創(chuàng)新使得研究團(tuán)隊首次實現(xiàn)了對255個光子的操縱能力，極大地提升了光量子計算的復(fù)雜度，處理高斯玻色取樣的速度比“九章二號”提升了一百萬倍。在激烈的國際競爭角逐中，“九章三號”的實現(xiàn)進(jìn)一步鞏固了我國在光量子計算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。
進(jìn)一步，在構(gòu)建“九章”系列光量子計算原型機(jī)的基礎(chǔ)上，中國科大研究團(tuán)隊揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系，完成對稠密子圖和Max-Haf兩類具有實用價值的圖論問題的求解，相比經(jīng)典計算機(jī)精確模擬的速度快1.8億倍[PRL 130, 190601 (2023)]。此外，又在國際上首次演示了無條件的多光子量子精密測量優(yōu)勢[PRL 130, 070801(2023)]。

九章三號的計算復(fù)雜度需要花費超級計算機(jī)的時間。1微秒可算出的最復(fù)雜樣本，當(dāng)前全球最快的超級計算機(jī)“前沿”(Frontier)約需200億年。(圖自：中科大)量子計算優(yōu)越性的研究是一個復(fù)雜而富有挑戰(zhàn)性的工作，量子計算硬件與經(jīng)典算法之間存在著長期競爭。研究人員期待這項工作一方面能夠激發(fā)更多關(guān)于經(jīng)典算法模擬的研究工作，另一方面有助于逐步解決量子計算研究中的各種科學(xué)和工程挑戰(zhàn)。
上述項目受到了安徽省、上海市、科技部、中國科學(xué)院和基金委的支持。
國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》發(fā)表該成果。論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/issues/131/15

來源：電子工程專輯

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