近日，中國科學技術大學中國科學院量子創(chuàng)新研究院與上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，成功構建了255個光子的量子計算原型機“九章三號”，再度刷新了光量子信息的技術水平和量子計算優(yōu)越性的世界紀錄。這一成果近日在國際學術期刊《物理評論快報》發(fā)表。

光量子計算的國際競爭態(tài)勢

量子計算是后摩爾時代的一種新的計算范式，它在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定量子算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面相比經(jīng)典計算機實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。

因而，研制量子計算機是當前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。為此，國際學術界制定了三步走的發(fā)展路線。其中，第一步是實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”，即通過對近百個量子比特的高精度量子調控，對特定問題的求解展現(xiàn)超級計算機無法比擬的算力?！傲孔佑嬎銉?yōu)越性”實驗還可用于檢驗計算科學的“擴展的丘奇—圖靈論題”。同時，在此過程中，發(fā)展出可擴展的量子調控技術，為具備容錯能力的通用量子計算機的研制提供技術打下堅實的基礎。

量子計算機的歷史發(fā)展歷程

2019年，美國谷歌和加州大學發(fā)布了53比特“懸鈴木”超導量子計算處理器，宣稱用200秒求解的隨機線路采樣問題需要超級計算機一萬年時間求解。然而，這一宣稱隨后受到了中國科學家的挑戰(zhàn)，改進后的經(jīng)典算法使得超算上的計算時間從一萬年縮短到數(shù)十秒，快于“懸鈴木”量子處理器。

2020年，中國科大團隊成功構建76光子的“九章”光量子計算原型機，首次在國際上實現(xiàn)光學體系的“量子計算優(yōu)越性”，并克服了谷歌實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。

2021年，中國科大團隊進一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號”，和56比特的“祖沖之二號”量子計算原型機，使我國成為唯一在光學和超導兩種技術路線都達到了“量子計算優(yōu)越性”的國家。在這個“量子計算優(yōu)越性”戰(zhàn)略高地，國際競爭呈現(xiàn)出白熱化。

位于加拿大多倫多的Xanadu公司與美國國家標準與技術研究院合作，采用與“九章”光量子計算原型機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，在國際上第二個實現(xiàn)了光學體系“量子計算優(yōu)越性”。

中科大量子計算機的創(chuàng)新

中國科大團隊在理論上首次發(fā)展了包含光子全同性的新理論模型，實現(xiàn)了更精確的理論與實驗的吻合；同時，發(fā)展了完備的貝葉斯驗證和關聯(lián)函數(shù)驗證，全面排除了所有已知的經(jīng)典仿冒算法，為量子計算優(yōu)越性提供了進一步數(shù)據(jù)支撐。

“我們研制了基于光纖時間延遲環(huán)的超導納米線探測器，首先把多光子態(tài)分束到不同空間模式，然后通過延時把空間轉化為時間，實現(xiàn)了準光子數(shù)可分辨的單光子探測系統(tǒng)?！毖芯繄F隊成員、中國科大教授陸朝陽說，這一系列創(chuàng)新使得研究團隊首次實現(xiàn)了對255個光子的操縱能力，極大地提升了光量子計算的復雜度，處理高斯玻色取樣的速度比“九章二號”提升了一百萬倍。

在激烈的國際競爭角逐中，“九章三號”的實現(xiàn)進一步鞏固了我國在光量子計算領域的國際領先地位。在構建“九章”系列光量子計算原型機的基礎上，中國科大研究團隊揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數(shù)學聯(lián)系，完成對稠密子圖和Max-Haf兩類具有實用價值的圖論問題的求解，相比經(jīng)典計算機精確模擬的速度快1.8億倍。此外，又在國際上首次演示了無條件的多光子量子精密測量優(yōu)勢。

量子計算的意義

“九章三號”的成功構建，不僅是中國科學家在量子計算領域的一次重大突破，也是人類探索量子世界的一次重要里程碑。它標志著量子計算進入了一個新的紀元，為量子技術的發(fā)展和應用開辟了廣闊的前景。

首先，“九章三號”為量子計算的實用化和商業(yè)化提供了強有力的支撐。它證明了光學技術路線在量子計算方面的巨大潛力，為未來構建更大規(guī)模、更高效率、更通用性的量子計算機奠定了基礎。它也為量子算法的設計和優(yōu)化提供了新的思路和平臺，為量子軟件和服務的開發(fā)和創(chuàng)新提供了新的機遇和挑戰(zhàn)。

其次，“九章三號”為量子計算的應用和推廣提供了強有力的動力。它展示了量子計算在求解復雜問題方面的優(yōu)勢，為各個領域帶來了新的可能性和價值。

“九章三號”為量子計算的教育和普及提供了強有力的示范。它向世界展示了中國在量子信息技術方面的領先地位，也向人們展示了量子世界的奧妙和魅力。它激發(fā)了人們對量子科學和技術的興趣和好奇，也激發(fā)了人們對科學探索和創(chuàng)新的熱情和信心。它促進了國內外在量子領域的交流與合作，也促進了社會各界對量子領域的關注與支持。

□據(jù)新華社 中國科技大學

責任編輯：王旭偉