“九章”問世，實現“量子計算優(yōu)越性”里程碑

文/中國科學技術大學

中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子100個模式的量子計算原型機“九章”，實現了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。

根據目前最優(yōu)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2019年發(fā)布的53比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。這一成果使得我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑：量子計算優(yōu)越性（國外也稱之為“量子霸權”）。相關論文于2020年12月4日在線發(fā)表在國際學術期刊《科學》。

量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會和經濟價值的問題方面如密碼破譯、大數據優(yōu)化、材料設計、藥物分析等，相比經典計算機實現指數級別的加速。當前，研制量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一，成為歐美各發(fā)達國家角逐的焦點。對于量子計算機的研究，本領域的國際同行公認有三個指標性的發(fā)展階段：

第一階段：發(fā)展具備50—100個量子比特的高精度專用量子計算機，對于一些超級計算機無法解決的高復雜度特定問題實現高效求解，實現計算科學中“量子計算優(yōu)越性”的里程碑。

第二階段：通過對規(guī)模化多體量子體系的精確制備、操控與探測，研制可相干操縱數百個量子比特的量子模擬機，用于解決若干超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題，如量子化學、新材料設計、優(yōu)化算法等。

第三階段：通過積累在專用量子計算與模擬機的研制過程中發(fā)展起來的各種技術，提高量子比特的操縱精度使之達到能超越量子計算苛刻的容錯閾值（＞99.9%），大幅度提高可集成的量子比特數目（百萬量級），實現容錯量子邏輯門，研制可編程的通用量子計算原型機。

潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處于國際領先水平。2017年，該團隊構建了世界首臺超越早期經典計算機（ENIAC）的光量子計算原型機。2019年，團隊進一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實現了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出復雜度相當于48個量子比特的希爾伯特態(tài)空間，逼近了“量子計算優(yōu)越性”。

近期，該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(guī)模擴展能力的量子光源，同時滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機矩陣、波包重合度優(yōu)于99.5%、通過率優(yōu)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》）。

同時，通過高斯玻色取樣證明的量子計算優(yōu)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(yōu)越性依賴于樣本數量的漏洞。“九章”輸出量子態(tài)空間規(guī)模達到了1030，而“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)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(guī)模化量子模擬機奠定了技術基礎。此外，基于“九章”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(xù)發(fā)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”“一個重大成就”。研究人員希望這個工作能夠激發(fā)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(yōu)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。

上述項目受到了中國科學院、科技部、安徽省、上海市的支持。

中國科學技術大學新聞中心在調研專家?guī)斓幕A上，就這個工作采訪了多位國外相關領域的教授，包括多位沃爾夫獎獲得者、美國科學院院士等資深專家。

德國馬普所所長、沃爾夫獎獲得者、富蘭克林獎章獲得者Ignacio Cirac說：“總體來說，這是量子科技領域的一個重大突破，朝著研制相比經典計算機具有量子優(yōu)勢的量子設備邁出了一大步。我相信這項成果背后付出了巨大的技術努力。潘教授的團隊在世界上是獨一無二的，他們產生了包括這個實驗在內的很多重大成果。”

奧地利科學院院長、沃爾夫獎獲得者、美國科學院院士Anton Zeilinger說：“這項工作成果很重要，因為潘建偉和他的同事證明，基于光子（光的粒子）的量子計算機也可能實現‘量子計算優(yōu)越性’。我預測很有可能有朝一日量子計算機會被廣泛使用。甚至每個人都可以使用。”

麻省理工學院副教授、美國青年科學家總統(tǒng)獎得主、斯隆獎獲得者Dirk Englund說：“這是一個劃時代的成果。這是一個了不起的成就。這是開發(fā)這些中型量子計算機的里程碑。”

維也納大學教授、美國物理學會會士Philip Walther說：“他們在實驗中拿到了目前最強經典計算機萬億年才能給出的計算結果，為量子計算機的超強能力給出了強有力的證明。”

加拿大卡爾加里大學教授、量子科學和技術研究所所長Barry Sanders說：“我認為這是一項杰出的工作，改變了當前的格局。我們一直努力證明量子信息處理可以戰(zhàn)勝經典的信息處理。這個實驗使經典計算機望塵莫及。

“2019年，谷歌取得了一項巨大的成果，即量子計算優(yōu)越性，但這是有爭議的。谷歌的結果是，他們擁有一臺量子計算機，其性能比其他任何經典計算機都要好。然后，IBM對此提出相反的論點：他們并未完全實現。質疑是否真正地達到了量子計算優(yōu)越性。

“然而潘建偉院士團隊的實驗不存在爭議，毫無疑問，該實驗取得的結果遠遠超出了傳統(tǒng)機器的模擬能力。

“我想說的是，這個實驗技術挑戰(zhàn)非常巨大。為了獲得此結果，他們必須解決許多非常困難的技術問題。僅僅在技術層面上，他們所取得的成就也令人印象深刻。這是人們夢寐以求的實驗，他們做成了，讓夢想走進現實。”

昆士蘭大學教授Tim Ralph說：“我相信潘教授和陸教授團隊的論文是一個重大突破。這是一個真正的‘英雄’實驗，將實驗各個方面的技術推進到遠遠超過以前的水平。該設備的規(guī)模是非凡的：100模式干涉儀、25個壓縮器提供輸入的量子態(tài)、使用100個單光子探測器進行探測，并且實現了同時保持高效率，穩(wěn)定性和量子不可分辨性——這都是展示量子計算優(yōu)越性所必需的。”

美國科學院院士、沃爾夫獎獲得者、狄拉克獎章獲得者Peter Zoller說：“利用量子器件來解決日益復雜的問題并體現量子優(yōu)勢是量子科學前沿中的最重要問題之一。陸朝陽、潘建偉和同事們基于光子進行的高斯玻色子采樣實驗，無論是在量子系統(tǒng)的大小和擴展性方面，還是在實際應用的前景方面，都把研究水平提升到了一個新的高度。”

瑞典皇家理工學院教授Val Zwiller說：“著名的中國科學技術大學團隊報道的量子計算優(yōu)越性的工作為量子科學樹立了一個新的重要里程碑，因為一個重要的量子優(yōu)勢清楚地證明了其量子處理器的表現遠遠優(yōu)于超級計算機。為了實現這一目標，他們克服了重大的技術挑戰(zhàn)，從而產生、操縱和探測非常大尺度的光量子態(tài)。”

美國耶魯大學教授、布魯克海文國家實驗室量子優(yōu)勢合作設計中心主任、美國藝術和科學院院士、巴克萊獎獲得者Steven Girvin說：“這是一個極其困難的、需要付出很大的努力來完善的工作。對此我印象非常深刻，我認為這是我們控制量子系統(tǒng)能力的重要技術進步。”

英國劍橋大學教授、英國物理學會托馬斯·楊獎章獲得者Mete Atature說：“對于量子計算這個蓬勃發(fā)展的領域來說，這確實是一個驚艷的時刻。陸教授和潘教授的這一成就將光子和以基于光子的量子技術置于世界舞臺中央。通過這項工作，我們進入了量子技術應用的時代，與傳統(tǒng)方法相比，我們取得了可觸及的優(yōu)越性。”