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再刷世界紀錄！“九章三號”光量子計算原型機研制成功

來源：央視網| 發布日期：2023-10-12 09:38
10月11日，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中國科學院上海微系統與信息技術研究所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，宣布成功構建255個光子的量子計算原型機“九章三號”。

這項成果再度刷新光量子信息技術世界紀錄，求解高斯玻色取樣數學問題比目前全球最快的超級計算機快一億億倍，在研制量子計算機之路上邁出重要一步。

中國光量子計算機最新進展

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濟價值的問題方面，相比經典計算機實現指數級別的加速。因而，研制量子計算機是當前世界科技前沿的最大挑戰之一。
為此，國際學術界制定了三步走的發展路線。其中，第一步是實現“量子計算優越性”，即通過對近百個量子比特的高精度量子調控，對特定問題的求解展現超級計算機無法比擬的算力。同時，在此過程中，發展出可擴展的量子調控技術，為具備容錯能力的通用量子計算機的研制提供技術基礎。
基于光子的玻色取樣和基于超導比特的隨機線路取樣是實驗展示量子計算優越性的兩個重要方案。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，中國科學技術大學潘建偉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，該團隊實現了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空間，逼近了量子計算優越性 。
此后，研究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的負9次方以內的鎖相精度，高效率100通道超導納米線單光子探測器。
2020年12月4日，中國科學技術大學宣布該校潘建偉等人成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”。這一突破使我國成為全球第二個（第一個為谷歌的Sycamore）實現“量子優越性”（國外稱“量子霸權”）的國家。
2023年6月，中國科學技術大學發布消息稱，由潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊，基于“九章”光量子計算原型機完成了對“稠密子圖”和“Max-Haf”兩類圖論問題的求解，比全球最快的超級計算機使用當前最優經典算法，精確模擬同一實驗的速度快了約1.8億倍。
九章開發團隊聲稱當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣時，“九章”需200秒，而截至2020年世界最快的超級計算機“富岳”需6億年；當求解100億個樣本時，九章需10小時，而富岳需1200億年。等效來看，“九章”的計算速度比谷歌的超導量子比特計算機“懸鈴木”快100億倍，并彌補了“懸鈴木”依賴樣本數量的技術漏洞。
2021年10月26日，中國科學技術大學中科院量子信息與量子科技創新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，發展了量子光源受激放大的理論和實驗方法，構建了113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”，并實現了相位可編程功能，完成了對用于演示“量子計算優越性”的高斯玻色取樣任務的快速求解。
根據現已正式發表的最優經典算法理論，“九章二號”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快10的24次方倍（億億億倍）。
如今，中國科學技術大學團隊又成功構建了255個光子的量子計算原型機“九章三號”。據介紹，科研人員設計時空解復用的光子探測新方法，構建高保真度的準光子數可分辨探測器，提升了光子操縱水平和量子計算復雜度。根據公開正式發表的最優經典精確采樣算法，“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所處理的最高復雜度的樣本，需要當前最強的超級計算機“前沿”花費超過二百億年的時間。這一成果進一步鞏固了我國在光量子計算領域的國際領先地位。

量子計算機發展歷程

量子計算（quantum computation）的概念最早由阿崗國家實驗室的P. Benioff于80年代初期提出，他提出二能階的量子系統可以用來仿真數字計算；稍后費曼也對這個問題產生興趣而著手研究，并在1981年于麻省理工學院舉行的First Conference on Physics of Computation演講中，勾勒出以量子現象實現計算的愿景。
1985年，牛津大學的D. Deutsch提出量子圖靈機（quantum Turing machine）的概念，量子計算才開始具備了數學的基本型式。然而上述的量子計算研究多半局限于探討計算的物理本質，還停留在相當抽象的層次，尚未進一步跨入發展算法的階段。
1994年，貝爾實驗室的應用數學家P. Shor指出，相對于傳統電子計算器，利用量子計算可以在更短的時間內將一個很大的整數分解成質因子的乘積。這個結論開啟量子計算的一個新階段：有別于傳統計算法則的量子算法（quantum algorithm）確實有其實用性。
自此之后，新的量子算法陸續的被提出來，而物理學家接下來所面臨的重要的課題之一，就是如何去建造一部真正的量子計算器，來執行這些量子算法。
許多量子系統都曾被點名做為量子計算器的基礎架構，例如光子的偏振（photon polarization）、腔量子電動力學(cavity quantum electrodynamics,CQED）、離子阱（ion trap）以及核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）等等。截止到2017年，考慮到系統的可擴展性和操控精度等因素，離子阱與超導系統走在了其它物理系統的前面。
2019年8月，中國量子計算研究獲重要進展，中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉與陸朝陽、霍永恒等人領銜，和多位國內及德國、丹麥學者合作，在國際上首次提出一種新型理論方案，在窄帶和寬帶兩種微腔上成功實現了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，為光學量子計算機超越經典計算機奠定了重要的科學基礎。
2021年10月，中科院量子信息與量子科技創新研究院科研團隊在超導量子和光量子兩種系統的量子計算方面取得重要進展，中國科大團隊進一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號”和56比特的“祖沖之二號”量子計算原型機，使我國成為唯一在光學和超導兩種技術路線都達到了“量子計算優越性”的國家。
如今，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中國科學院上海微系統與信息技術研究所、國家并行計算機工程技術研究中心合作成功構建的255個光子的“九章三號”量子計算原型機，無疑讓全球量子計算領域又向前邁進一大步。

小結

量子計算是指一種新型計算模式，從計算效率來看，由于量子力學疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問題時速度要比傳統的通用計算機快很多。在光量子計算領域，中國科學技術大學潘建偉團隊先后構建了光量子原型機“九章”、“九章二號”、“九章三號”，不斷刷新光量子信息技術世界紀錄，鞏固我國在光量子計算領域的國際領先地位。