12月4日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)等組成的研究團(tuán)隊(duì)，與中科院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)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(jì)算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍，即“九章”一分鐘完成的任務(wù)，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一億年。

其速度也等效地比去年谷歌發(fā)布的53個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。

這一成果使得我國(guó)成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑：量子計(jì)算優(yōu)越性（國(guó)外稱“量子霸權(quán)”）。相關(guān)論文于12月4日在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

“九章”量子計(jì)算原型機(jī)光路系統(tǒng)原理圖（來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的兩種路徑

由于量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問(wèn)題方面相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。當(dāng)前，研制量子計(jì)算機(jī)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(guó)家角逐的焦點(diǎn)。

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

上面提到的量子計(jì)算“特定任務(wù)”，是指經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，非常適合于量子計(jì)算設(shè)備發(fā)揮其計(jì)算潛力的問(wèn)題。這類問(wèn)題包括隨機(jī)量子線路采樣、IQP線路、高斯玻色取樣。而谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)所針對(duì)的問(wèn)題是隨機(jī)量子線路采樣。

所謂“玻色取樣”問(wèn)題，我們可以理解成一個(gè)量子世界的高爾頓板。

高爾頓板問(wèn)題是由英國(guó)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)家高爾頓提出來(lái)的，這個(gè)問(wèn)題可以理解為小球從最上方被扔下，每經(jīng)過(guò)一個(gè)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(gè)小球從上往下隨機(jī)掉落時(shí)，落在下面的格子里的小球數(shù)量分布上會(huì)呈現(xiàn)一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這個(gè)模型可以用來(lái)直觀地認(rèn)識(shí)中心極限定理。

高爾頓板（來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

如果將“高爾頓釘板”發(fā)展出一個(gè)量子版本，即，由全同光子來(lái)代替小球，用分束器（當(dāng)一束光通過(guò)分束器時(shí)會(huì)被分成兩束強(qiáng)度較低的光，一束透射，另一束反射）來(lái)代替釘子，則這個(gè)游戲就變成“玻色取樣”的量子模擬。一般來(lái)講，“玻色取樣”是指，在n個(gè)全同玻色子經(jīng)過(guò)一個(gè)干涉儀后，對(duì)n個(gè)玻色子的整個(gè)輸出態(tài)空間進(jìn)行采樣的問(wèn)題。

計(jì)算機(jī)科學(xué)家S.Aaronson和A.Arkhipov于2013年提出一種快速計(jì)算矩陣的常值方法，主要原理是對(duì)經(jīng)過(guò)線性器件處理的玻色子的概率分布進(jìn)行抽樣分析，從而可以很快的求出一個(gè)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(fèi)米子，而光子屬于玻色子，這樣就可以運(yùn)用光子實(shí)現(xiàn)玻色取樣實(shí)驗(yàn)。

從計(jì)算復(fù)雜度的角度來(lái)看，隨著光子數(shù)的增加求解步數(shù)呈指數(shù)上漲。對(duì)于這樣一個(gè)經(jīng)典計(jì)算異常困難的問(wèn)題，在中小規(guī)模下就可以打敗超級(jí)計(jì)算機(jī)。因此，“玻色取樣”這個(gè)問(wèn)題被量子計(jì)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(jì)算機(jī)。

同樣，為什么隨機(jī)量子線路經(jīng)典計(jì)算機(jī)很難模擬？舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，比如一個(gè)50比特的隨機(jī)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(jì)算機(jī)模擬，首先要存儲(chǔ)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(jì)算空間上，模擬每一層的量子計(jì)算操作，直至輸出最終的計(jì)算結(jié)果，更是難上加難！

而利用超導(dǎo)量子比特實(shí)現(xiàn)隨機(jī)線路取樣和利用光子實(shí)現(xiàn)玻色取樣，是目前國(guó)際學(xué)術(shù)界公認(rèn)的演示量子計(jì)算優(yōu)越性的兩大途徑。在第二種路線上，中科大團(tuán)隊(duì)一直保持國(guó)際領(lǐng)先。2019年，他們實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計(jì)算，輸出狀態(tài)空間維數(shù)高達(dá)三百七十萬(wàn)億，其復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特，逼近了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

此次，潘建偉團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主研制同時(shí)具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴(kuò)展能力的量子光源，同時(shí)滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機(jī)矩陣、波包重合度優(yōu)于99.5%、通過(guò)率優(yōu)于98%的100模式干涉線路，相對(duì)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(cè)器，成功構(gòu)建了76個(gè)光子100個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，意為紀(jì)念中國(guó)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(guó)量子計(jì)算原型機(jī)“九章”問(wèn)世，實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”）