里程碑式突破！中国科学家实现“量子霸权”计算能力惊人

　　中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳团队构建的一套光量子计算系统，最近在高斯玻色采样（Gaussian Boson Sampling）问题上取得重要突破，求解速度达到目前全球最快的超级计算机的一百万亿倍，远远超过经典计算机。

　　这意味着中国科学家首次实现 “量子霸权”（quantum supremacy），另一个说法是量子优越性（quantum computational advantage），即在某个特定问题上的计算能力远超现有最强的传统计算机，而传统计算机在有限时间内无法完成计算。

　　 “量子优越性像个门槛，是指当新生的量子计算原型机，在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明其未来有多方超越的可能。”中科大教授陆朝阳说，多年来国际学界高度关注、期待这个里程碑式转折点到来。

图片1：“九章”量子计算原型机光路系统原理图 ：左上方激光系统产生高峰值功率飞秒脉冲；左方25个光源通过参量下转换过程产生50路单模压缩态输入到右方100模式光量子干涉网络; 最后利用100个高效率超导单光子探测器对干涉仪输出光量子态进行探测。(制图：陆朝阳，彭礼超)

　　北京时间12月4日凌晨，该工作在《科学》杂志在线发表，论文标题为 “用光子实现量子计算优越性”（Quantum computational advantage using photons）。

　　 去年9月，美国谷歌公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学算法的计算只需200秒，而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需2天，实现了“量子优越性”。

图片2：光量子干涉实物图：左下方为输入光学部分，右下方为锁相光路，上方共输出100个光学模式，分别通过低损耗单模光纤与100超导单光子探测器连接。(摄影：马潇汉，梁竞，邓宇皓)

　　近期，潘建伟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》）。

图片3：100模式相位稳定干涉仪：光量子干涉装置集成在20 cm*20 cm的超低膨胀稳定衬底玻璃上, 用于实现50路单模压缩态间的两两干涉，并高精度地锁定任意两路光束间的相位。（摄影：马潇汉，梁竞，邓宇皓）

　　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）。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“九章号”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”（a state-of-the-art experiment），“一个重大成就”（a major achievement）。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。