12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。

據(jù)現(xiàn)有理論，該量子計算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍，即“九章”一分鐘完成的任務(wù)，超級計算機需要一億年。

其速度也等效地比去年谷歌發(fā)布的53個超導(dǎo)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(dá)到了量子計算研究的第一個里程碑：量子計算優(yōu)越性（國外稱“量子霸權(quán)”）。相關(guān)論文于12月4日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

“九章”量子計算原型機光路系統(tǒng)原理圖（來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

實現(xiàn)“量子霸權(quán)”的兩種路徑

由于量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力，在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面相比經(jīng)典計算機可實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。當(dāng)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，是歐美發(fā)達(dá)國家角逐的焦點。

這當(dāng)中，量子計算研究的第一個階段性目標(biāo)，是實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”（亦譯為“量子霸權(quán)”），即研制出量子計算原型機在特定任務(wù)的求解方面超越經(jīng)典的超級計算機。

上面提到的量子計算“特定任務(wù)”，是指經(jīng)過精心設(shè)計，非常適合于量子計算設(shè)備發(fā)揮其計算潛力的問題。這類問題包括隨機量子線路采樣、IQP線路、高斯玻色取樣。而谷歌量子AI團隊所針對的問題是隨機量子線路采樣。

所謂“玻色取樣”問題，我們可以理解成一個量子世界的高爾頓板。

高爾頓板問題是由英國生物統(tǒng)計學(xué)家高爾頓提出來的，這個問題可以理解為小球從最上方被扔下，每經(jīng)過一個釘板，都有一半的可能從左邊走，一半的可能從右邊走，當(dāng)有很多個小球從上往下隨機掉落時，落在下面的格子里的小球數(shù)量分布上會呈現(xiàn)一定的統(tǒng)計規(guī)律，這個模型可以用來直觀地認(rèn)識中心極限定理。

高爾頓板（來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

如果將“高爾頓釘板”發(fā)展出一個量子版本，即，由全同光子來代替小球，用分束器（當(dāng)一束光通過分束器時會被分成兩束強度較低的光，一束透射，另一束反射）來代替釘子，則這個游戲就變成“玻色取樣”的量子模擬。一般來講，“玻色取樣”是指，在n個全同玻色子經(jīng)過一個干涉儀后，對n個玻色子的整個輸出態(tài)空間進行采樣的問題。

計算機科學(xué)家S.Aaronson和A.Arkhipov于2013年提出一種快速計算矩陣的常值方法，主要原理是對經(jīng)過線性器件處理的玻色子的概率分布進行抽樣分析，從而可以很快的求出一個n x n維矩陣常值的方法。自然界中的粒子分為玻色子和費米子，而光子屬于玻色子，這樣就可以運用光子實現(xiàn)玻色取樣實驗。

從計算復(fù)雜度的角度來看，隨著光子數(shù)的增加求解步數(shù)呈指數(shù)上漲。對于這樣一個經(jīng)典計算異常困難的問題，在中小規(guī)模下就可以打敗超級計算機。因此，“玻色取樣”這個問題被量子計算領(lǐng)域的科學(xué)家盯上了，準(zhǔn)備拿它小試牛刀，挑戰(zhàn)經(jīng)典計算機。

同樣，為什么隨機量子線路經(jīng)典計算機很難模擬？舉個例子來說，比如一個50比特的隨機量子線路采樣，最終輸出的量子態(tài)的態(tài)空間的維度是250，如果使用經(jīng)典計算機模擬，首先要存儲如此高維度的量子態(tài)是極其困難的，其次，在如此高維的計算空間上，模擬每一層的量子計算操作，直至輸出最終的計算結(jié)果，更是難上加難！

而利用超導(dǎo)量子比特實現(xiàn)隨機線路取樣和利用光子實現(xiàn)玻色取樣，是目前國際學(xué)術(shù)界公認(rèn)的演示量子計算優(yōu)越性的兩大途徑。在第二種路線上，中科大團隊一直保持國際領(lǐng)先。2019年，他們實現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算，輸出狀態(tài)空間維數(shù)高達(dá)三百七十萬億，其復(fù)雜度相當(dāng)于48個量子比特，逼近了“量子計算優(yōu)越性”。

此次，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(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的負(fù)9次方以內(nèi)的鎖相精度，高效率100通道超導(dǎo)納米線單光子探測器，成功構(gòu)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”，意為紀(jì)念中國古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。

（文章有刪減，原文標(biāo)題：里程碑式突破！中國量子計算原型機“九章”問世，實現(xiàn)“量子霸權(quán)”）