再刷世界纪录！“九章三号”国产光量子计算原型机研制成功，速度提升一百万倍！

电子发烧友网报道（文/李弯弯）10月11日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中国科学院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，宣布成功构建255个光子的量子计算原型机“九章三号”。
 
这项成果再度刷新光量子信息技术世界纪录，求解高斯玻色取样数学问题比目前全球最快的超级计算机快一亿亿倍，在研制量子计算机之路上迈出重要一步。
 
中国光量子计算机最新进展
 
量子计算是后摩尔时代的一种新的计算范式，它在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定量子算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面，相比经典计算机实现指数级别的加速。因而，研制量子计算机是当前世界科技前沿的最大挑战之一。
 
为此，国际学术界制定了三步走的发展路线。其中，第一步是实现“量子计算优越性”，即通过对近百个量子比特的高精度量子调控，对特定问题的求解展现超级计算机无法比拟的算力。同时，在此过程中，发展出可扩展的量子调控技术，为具备容错能力的通用量子计算机的研制提供技术基础。
 
基于光子的玻色取样和基于超导比特的随机线路取样是实验展示量子计算优越性的两个重要方案。潘建伟团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平。
 
2017年，中国科学技术大学潘建伟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，该团队实现了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 。
 
此后，研究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的负9次方以内的锁相精度，高效率100通道超导纳米线单光子探测器。
 
2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。这一突破使我国成为全球第二个（第一个为谷歌的Sycamore）实现“量子优越性”（国外称“量子霸权”）的国家。
 
2023年6月，中国科学技术大学发布消息称，由潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队，基于“九章”光量子计算原型机完成了对“稠密子图”和“Max-Haf”两类图论问题的求解，比全球最快的超级计算机使用当前最优经典算法，精确模拟同一实验的速度快了约1.8亿倍。
 
九章开发团队声称当求解5000万个样本的高斯玻色取样时，“九章”需200秒，而截至2020年世界最快的超级计算机“富岳”需6亿年；当求解100亿个样本时，九章需10小时，而富岳需1200亿年。等效来看，“九章”的计算速度比谷歌的超导量子比特计算机“悬铃木”快100亿倍，并弥补了“悬铃木”依赖样本数量的技术漏洞。
 
2021年10月26日，中国科学技术大学中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、陆朝阳、刘乃乐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，发展了量子光源受激放大的理论和实验方法，构建了113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”，并实现了相位可编程功能，完成了对用于演示“量子计算优越性”的高斯玻色取样任务的快速求解。
 
根据现已正式发表的最优经典算法理论，“九章二号”处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快10的24次方倍（亿亿亿倍）。
 
如今，中国科学技术大学团队又成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章三号”。据介绍，科研人员设计时空解复用的光子探测新方法，构建高保真度的准光子数可分辨探测器，提升了光子操纵水平和量子计算复杂度。根据公开正式发表的最优经典精确采样算法，“九章三号”处理高斯玻色取样的速度比上一代“九章二号”提升一百万倍。“九章三号”在百万分之一秒时间内所处理的最高复杂度的样本，需要当前最强的超级计算机“前沿”花费超过二百亿年的时间。这一成果进一步巩固了我国在光量子计算领域的国际领先地位。
 
量子计算机发展历程
 
量子计算（quantum computation）的概念最早由阿岗国家实验室的P. Benioff于80年代初期提出，他提出二能阶的量子系统可以用来仿真数字计算；稍后费曼也对这个问题产生兴趣而着手研究，并在1981年于麻省理工学院举行的First Conference on Physics of Computation演讲中，勾勒出以量子现象实现计算的愿景。
 
1985年，牛津大学的D. Deutsch提出量子图灵机（quantum Turing machine）的概念，量子计算才开始具备了数学的基本型式。然而上述的量子计算研究多半局限于探讨计算的物理本质，还停留在相当抽象的层次，尚未进一步跨入发展算法的阶段。
 
1994年，贝尔实验室的应用数学家P. Shor指出，相对于传统电子计算器，利用量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积。这个结论开启量子计算的一个新阶段：有别于传统计算法则的量子算法（quantum algorithm）确实有其实用性。
 
自此之后，新的量子算法陆续的被提出来，而物理学家接下来所面临的重要的课题之一，就是如何去建造一部真正的量子计算器，来执行这些量子算法。
 
许多量子系统都曾被点名做为量子计算器的基础架构，例如光子的偏振（photon polarization）、腔量子电动力学(cavity quantum electrodynamics,CQED）、离子阱（ion trap）以及核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）等等。截止到2017年，考虑到系统的可扩展性和操控精度等因素，离子阱与超导系统走在了其它物理系统的前面。
 
2019年8月，中国量子计算研究获重要进展，中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟与陆朝阳、霍永恒等人领衔，和多位国内及德国、丹麦学者合作，在国际上首次提出一种新型理论方案，在窄带和宽带两种微腔上成功实现了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的单光子源，为光学量子计算机超越经典计算机奠定了重要的科学基础。
 
2021年10月，中科院量子信息与量子科技创新研究院科研团队在超导量子和光量子两种系统的量子计算方面取得重要进展，中国科大团队进一步成功研制了113光子的可相位编程的“九章二号”和56比特的“祖冲之二号”量子计算原型机，使我国成为唯一在光学和超导两种技术路线都达到了“量子计算优越性”的国家。
 
如今，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中国科学院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作成功构建的255个光子的“九章三号”量子计算原型机，无疑让全球量子计算领域又向前迈进一大步。
 
小结
 
量子计算是指一种新型计算模式，从计算效率来看，由于量子力学叠加性的存在，某些已知的量子算法在处理问题时速度要比传统的通用计算机快很多。在光量子计算领域，中国科学技术大学潘建伟团队先后构建了光量子原型机“九章”、“九章二号”、“九章三号”，不断刷新光量子信息技术世界纪录，巩固我国在光量子计算领域的国际领先地位。