“九章”问世，实现“量子计算优越性”里程碑

文/中国科学技术大学

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子100个模式的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。

根据目前最优的经典算法，“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，等效地比谷歌2019年发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性（国外也称之为“量子霸权”）。相关论文于2020年12月4日在线发表在国际学术期刊《科学》。

量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等，相比经典计算机实现指数级别的加速。当前，研制量子计算机已成为世界科技前沿的最大挑战之一，成为欧美各发达国家角逐的焦点。对于量子计算机的研究，本领域的国际同行公认有三个指标性的发展阶段：

第一阶段：发展具备50—100个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。

第二阶段：通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题，如量子化学、新材料设计、优化算法等。

第三阶段：通过积累在专用量子计算与模拟机的研制过程中发展起来的各种技术，提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值（＞99.9%），大幅度提高可集成的量子比特数目（百万量级），实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。

潘建伟团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平。2017年，该团队构建了世界首台超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机。2019年，团队进一步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，输出复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，逼近了“量子计算优越性”。

近期，该团队通过自主研制同时具备高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源，同时满足相位稳定、全连通随机矩阵、波包重合度优于99.5%、通过率优于98%的100模式干涉线路，相对光程10-9以内的锁相精度，高效率100通道超导纳米线单光子探测器，成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”（命名为“九章”是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》）。

同时，通过高斯玻色取样证明的量子计算优越性不依赖于样本数量，克服了谷歌53比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。“九章”输出量子态空间规模达到了1030，而“悬铃木”输出量子态空间规模是1016，目前全世界的存储容量是1022。

该成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。此外，基于“九章”量子计算原型机的高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。

《科学》杂志审稿人评价该工作是“一个最先进的实验”“一个重大成就”。研究人员希望这个工作能够激发更多的经典算法模拟方面的工作，也预计将来会有提升的空间。量子优越性实验并不是一个一蹴而就的工作，而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争，但最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力。

上述项目受到了中国科学院、科技部、安徽省、上海市的支持。

中国科学技术大学新闻中心在调研专家库的基础上，就这个工作采访了多位国外相关领域的教授，包括多位沃尔夫奖获得者、美国科学院院士等资深专家。

德国马普所所长、沃尔夫奖获得者、富兰克林奖章获得者Ignacio Cirac说：“总体来说，这是量子科技领域的一个重大突破，朝着研制相比经典计算机具有量子优势的量子设备迈出了一大步。我相信这项成果背后付出了巨大的技术努力。潘教授的团队在世界上是独一无二的，他们产生了包括这个实验在内的很多重大成果。”

奥地利科学院院长、沃尔夫奖获得者、美国科学院院士Anton Zeilinger说：“这项工作成果很重要，因为潘建伟和他的同事证明，基于光子（光的粒子）的量子计算机也可能实现‘量子计算优越性’。我预测很有可能有朝一日量子计算机会被广泛使用。甚至每个人都可以使用。”

麻省理工学院副教授、美国青年科学家总统奖得主、斯隆奖获得者Dirk Englund说：“这是一个划时代的成果。这是一个了不起的成就。这是开发这些中型量子计算机的里程碑。”

维也纳大学教授、美国物理学会会士Philip Walther说：“他们在实验中拿到了目前最强经典计算机万亿年才能给出的计算结果，为量子计算机的超强能力给出了强有力的证明。”

加拿大卡尔加里大学教授、量子科学和技术研究所所长Barry Sanders说：“我认为这是一项杰出的工作，改变了当前的格局。我们一直努力证明量子信息处理可以战胜经典的信息处理。这个实验使经典计算机望尘莫及。

“2019年，谷歌取得了一项巨大的成果，即量子计算优越性，但这是有争议的。谷歌的结果是，他们拥有一台量子计算机，其性能比其他任何经典计算机都要好。然后，IBM对此提出相反的论点：他们并未完全实现。质疑是否真正地达到了量子计算优越性。

“然而潘建伟院士团队的实验不存在争议，毫无疑问，该实验取得的结果远远超出了传统机器的模拟能力。

“我想说的是，这个实验技术挑战非常巨大。为了获得此结果，他们必须解决许多非常困难的技术问题。仅仅在技术层面上，他们所取得的成就也令人印象深刻。这是人们梦寐以求的实验，他们做成了，让梦想走进现实。”

昆士兰大学教授Tim Ralph说：“我相信潘教授和陆教授团队的论文是一个重大突破。这是一个真正的‘英雄’实验，将实验各个方面的技术推进到远远超过以前的水平。该设备的规模是非凡的：100模式干涉仪、25个压缩器提供输入的量子态、使用100个单光子探测器进行探测，并且实现了同时保持高效率，稳定性和量子不可分辨性——这都是展示量子计算优越性所必需的。”

美国科学院院士、沃尔夫奖获得者、狄拉克奖章获得者Peter Zoller说：“利用量子器件来解决日益复杂的问题并体现量子优势是量子科学前沿中的最重要问题之一。陆朝阳、潘建伟和同事们基于光子进行的高斯玻色子采样实验，无论是在量子系统的大小和扩展性方面，还是在实际应用的前景方面，都把研究水平提升到了一个新的高度。”

瑞典皇家理工学院教授Val Zwiller说：“著名的中国科学技术大学团队报道的量子计算优越性的工作为量子科学树立了一个新的重要里程碑，因为一个重要的量子优势清楚地证明了其量子处理器的表现远远优于超级计算机。为了实现这一目标，他们克服了重大的技术挑战，从而产生、操纵和探测非常大尺度的光量子态。”

美国耶鲁大学教授、布鲁克海文国家实验室量子优势合作设计中心主任、美国艺术和科学院院士、巴克莱奖获得者Steven Girvin说：“这是一个极其困难的、需要付出很大的努力来完善的工作。对此我印象非常深刻，我认为这是我们控制量子系统能力的重要技术进步。”

英国剑桥大学教授、英国物理学会托马斯·杨奖章获得者Mete Atature说：“对于量子计算这个蓬勃发展的领域来说，这确实是一个惊艳的时刻。陆教授和潘教授的这一成就将光子和以基于光子的量子技术置于世界舞台中央。通过这项工作，我们进入了量子技术应用的时代，与传统方法相比，我们取得了可触及的优越性。”