里程碑式突破！中國科學家實現“量子霸權”計算能力驚人

　　中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽團隊構建的一套光量子計算系統，最近在高斯玻色采樣（Gaussian Boson Sampling）問題上取得重要突破，求解速度達到目前全球最快的超級計算機的一百萬億倍，遠遠超過經典計算機。

　　這意味著中國科學家首次實現 “量子霸權”（quantum supremacy），另一個說法是量子優越性（quantum computational advantage），即在某個特定問題上的計算能力遠超現有最強的傳統計算機，而傳統計算機在有限時間內無法完成計算。

　　 “量子優越性像個門檻，是指當新生的量子計算原型機，在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機，就證明其未來有多方超越的可能。”中科大教授陸朝陽說，多年來國際學界高度關注、期待這個里程碑式轉折點到來。

圖片1：“九章”量子計算原型機光路系統原理圖 ：左上方激光系統產生高峰值功率飛秒脈沖；左方25個光源通過參量下轉換過程產生50路單模壓縮態輸入到右方100模式光量子干涉網絡; 最后利用100個高效率超導單光子探測器對干涉儀輸出光量子態進行探測。(制圖：陸朝陽，彭禮超)

　　北京時間12月4日凌晨，該工作在《科學》雜志在線發表，論文標題為 “用光子實現量子計算優越性”（Quantum computational advantage using photons）。

　　 去年9月，美國谷歌公司推出53個量子比特的計算機“懸鈴木”，對一個數學算法的計算只需200秒，而當時世界最快的超級計算機“頂峰”需2天，實現了“量子優越性”。

圖片2：光量子干涉實物圖：左下方為輸入光學部分，右下方為鎖相光路，上方共輸出100個光學模式，分別通過低損耗單模光纖與100超導單光子探測器連接。(攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓)

　　近期，潘建偉團隊通過自主研制同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規模擴展能力的量子光源，同時滿足相位穩定、全連通隨機矩陣、波包重合度優于99.5%、通過率優于98%的100模式干涉線路，相對光程10-9以內的鎖相精度，高效率100通道超導納米線單光子探測器，成功構建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”（命名為“九章”是為了紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》）。

圖片3：100模式相位穩定干涉儀：光量子干涉裝置集成在20 cm*20 cm的超低膨脹穩定襯底玻璃上, 用于實現50路單模壓縮態間的兩兩干涉，并高精度地鎖定任意兩路光束間的相位。（攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓）

　　根據目前最優的經典算法，“九章”對于處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級計算機“富岳”快一百萬億倍，等效地比谷歌去年發布的53比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。同時，通過高斯玻色取樣證明的量子計算優越性不依賴于樣本數量，克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優越性依賴于樣本數量的漏洞。“九章”輸出量子態空間規模達到了1030（“懸鈴木”輸出量子態空間規模是1016，目前全世界的存儲容量是1022）。該成果牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，為未來實現可解決具有重大實用價值問題的規模化量子模擬機奠定了技術基礎。此外，基于“九章號”量子計算原型機的高斯玻色取樣算法在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用，將是后續發展的重要方向。

　　《科學》雜志審稿人評價該工作是“一個最先進的實驗”（a state-of-the-art experiment），“一個重大成就”（a major achievement）。研究人員希望這個工作能夠激發更多的經典算法模擬方面的工作，也預計將來會有提升的空間。量子優越性實驗并不是一個一蹴而就的工作，而是更快的經典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭，但最終量子并行性會產生經典計算機無法企及的算力。