这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

12月4日,中国科学技术大学宣布: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个光子的量子计算原型机“九章”。

“九章”的命名,旨在纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。

实现我国首次量子计算优越性,碾压谷歌“量子霸权”

量子优越性,即谷歌此宣称的“量子霸权”,是近年量子计算中备受关注的一个方向,“九章”的成功,使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑!

量子计算是指利用量子相干叠加原理,能够解决超出传统计算机的一些问题,具有超快的并行计算和模拟能力的计算机。

而光量子计算机包含3个主要部分:

第一部分是单光子源,在零下269摄氏度的低温中,这个设备通过激光激发量子点,每次产生一个高品质的单光子。

第二部分是超低损耗光量子线路。单光子通过开关分成5路,通过光纤导入主体设备光学量子网络。

第三部分是单光子探测器,探测矩阵中得到的量子计算结果。

而潘建伟团队的实验用光子实现量子计算过程,大部分实验均在常温下进行。

图 | “九章”量子计算原型机光路系统原理图

他们将一束定制的激光分成强度相等的13条路径,聚焦在25个晶体上产生25个特殊状态的量子光源,光源通过2米自由空间和20米光纤(其中5米缠绕在一个压电陶瓷上),进入干涉仪和彼此 “对话”,最后的输出结果由100个超导纳米线单光子探测器探测,最终有76个探测器探测到了光子。

“高斯玻色采样”是一种复杂的采样计算,当问题规模超过超过某个值时,任何传统计算机都无法有效模拟,而玻色采样就是这些特定问题中的一个。但玻色采样所需要的单光子源在实验上很难大规模实现,因此人们考虑问题的一个变种——高斯玻色,一个更高效的计算采样概率的方法,大大减少了模拟采样所需的代价。

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100万亿倍,等效对比谷歌去年发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。

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(“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)。

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 表示:

我认为这是一项杰出的工作,改变了当前的格局 ( It’s the game changer)。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。

去年,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……这个实验(潘建伟院士团队的实验)不存在争论,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。

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。

“九章”背后的团队:量子优越性实验并不是一蹴而就

在光量子信息处理方面,潘建伟团队一直处于国际领先水平。

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”。

而本次成果,则进一步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。

如今,各个国家都希望争夺科技的制高点,量子科学的科技应用很可能是致胜的关键。

值得注意的是,相关的论文已经于12月3日凌晨在线发表在国际知名的学术期刊《科学》上。

《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”。此外,还有许多来自美国科学院、知名大学、研究机构的专家,对于此次量子科学领域的最新成果都给予了高度评价。

对于此次研究,参与者陆朝阳在接受采访时表示,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。