近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院量子創(chuàng)新研究院與上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建了255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”，再度刷新了光量子信息的技術(shù)水平和量子計(jì)算優(yōu)越性的世界紀(jì)錄。這一成果近日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表。

光量子計(jì)算的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)

量子計(jì)算是后摩爾時(shí)代的一種新的計(jì)算范式，它在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，可望通過特定量子算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。

因而，研制量子計(jì)算機(jī)是當(dāng)前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。為此，國(guó)際學(xué)術(shù)界制定了三步走的發(fā)展路線。其中，第一步是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，即通過對(duì)近百個(gè)量子比特的高精度量子調(diào)控，對(duì)特定問題的求解展現(xiàn)超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的算力?！傲孔佑?jì)算優(yōu)越性”實(shí)驗(yàn)還可用于檢驗(yàn)計(jì)算科學(xué)的“擴(kuò)展的丘奇—圖靈論題”。同時(shí)，在此過程中，發(fā)展出可擴(kuò)展的量子調(diào)控技術(shù)，為具備容錯(cuò)能力的通用量子計(jì)算機(jī)的研制提供技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

量子計(jì)算機(jī)的歷史發(fā)展歷程

2019年，美國(guó)谷歌和加州大學(xué)發(fā)布了53比特“懸鈴木”超導(dǎo)量子計(jì)算處理器，宣稱用200秒求解的隨機(jī)線路采樣問題需要超級(jí)計(jì)算機(jī)一萬(wàn)年時(shí)間求解。然而，這一宣稱隨后受到了中國(guó)科學(xué)家的挑戰(zhàn)，改進(jìn)后的經(jīng)典算法使得超算上的計(jì)算時(shí)間從一萬(wàn)年縮短到數(shù)十秒，快于“懸鈴木”量子處理器。

2020年，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建76光子的“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)，首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)光學(xué)體系的“量子計(jì)算優(yōu)越性”，并克服了谷歌實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。

2021年，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號(hào)”，和56比特的“祖沖之二號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)，使我國(guó)成為唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩種技術(shù)路線都達(dá)到了“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國(guó)家。在這個(gè)“量子計(jì)算優(yōu)越性”戰(zhàn)略高地，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)呈現(xiàn)出白熱化。

位于加拿大多倫多的Xanadu公司與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院合作，采用與“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)相同的高斯玻色取樣路線，在2022年發(fā)布了216光子的“北極光”量子處理器，在國(guó)際上第二個(gè)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)體系“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

中科大量子計(jì)算機(jī)的創(chuàng)新

中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)在理論上首次發(fā)展了包含光子全同性的新理論模型，實(shí)現(xiàn)了更精確的理論與實(shí)驗(yàn)的吻合；同時(shí)，發(fā)展了完備的貝葉斯驗(yàn)證和關(guān)聯(lián)函數(shù)驗(yàn)證，全面排除了所有已知的經(jīng)典仿冒算法，為量子計(jì)算優(yōu)越性提供了進(jìn)一步數(shù)據(jù)支撐。

“我們研制了基于光纖時(shí)間延遲環(huán)的超導(dǎo)納米線探測(cè)器，首先把多光子態(tài)分束到不同空間模式，然后通過延時(shí)把空間轉(zhuǎn)化為時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)光子數(shù)可分辨的單光子探測(cè)系統(tǒng)?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)科大教授陸朝陽(yáng)說(shuō)，這一系列創(chuàng)新使得研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)255個(gè)光子的操縱能力，極大地提升了光量子計(jì)算的復(fù)雜度，處理高斯玻色取樣的速度比“九章二號(hào)”提升了一百萬(wàn)倍。

在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)角逐中，“九章三號(hào)”的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步鞏固了我國(guó)在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位。在構(gòu)建“九章”系列光量子計(jì)算原型機(jī)的基礎(chǔ)上，中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系，完成對(duì)稠密子圖和Max-Haf兩類具有實(shí)用價(jià)值的圖論問題的求解，相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)精確模擬的速度快1.8億倍。此外，又在國(guó)際上首次演示了無(wú)條件的多光子量子精密測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)。

量子計(jì)算的意義

“九章三號(hào)”的成功構(gòu)建，不僅是中國(guó)科學(xué)家在量子計(jì)算領(lǐng)域的一次重大突破，也是人類探索量子世界的一次重要里程碑。它標(biāo)志著量子計(jì)算進(jìn)入了一個(gè)新的紀(jì)元，為量子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用開辟了廣闊的前景。

首先，“九章三號(hào)”為量子計(jì)算的實(shí)用化和商業(yè)化提供了強(qiáng)有力的支撐。它證明了光學(xué)技術(shù)路線在量子計(jì)算方面的巨大潛力，為未來(lái)構(gòu)建更大規(guī)模、更高效率、更通用性的量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。它也為量子算法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了新的思路和平臺(tái)，為量子軟件和服務(wù)的開發(fā)和創(chuàng)新提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

其次，“九章三號(hào)”為量子計(jì)算的應(yīng)用和推廣提供了強(qiáng)有力的動(dòng)力。它展示了量子計(jì)算在求解復(fù)雜問題方面的優(yōu)勢(shì)，為各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能性和價(jià)值。

“九章三號(hào)”為量子計(jì)算的教育和普及提供了強(qiáng)有力的示范。它向世界展示了中國(guó)在量子信息技術(shù)方面的領(lǐng)先地位，也向人們展示了量子世界的奧妙和魅力。它激發(fā)了人們對(duì)量子科學(xué)和技術(shù)的興趣和好奇，也激發(fā)了人們對(duì)科學(xué)探索和創(chuàng)新的熱情和信心。它促進(jìn)了國(guó)內(nèi)外在量子領(lǐng)域的交流與合作，也促進(jìn)了社會(huì)各界對(duì)量子領(lǐng)域的關(guān)注與支持。

□據(jù)新華社 中國(guó)科技大學(xué)

責(zé)任編輯：王旭偉