中國(guó)驕傲丨“九章三號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)問(wèn)世 中國(guó)研制量子計(jì)算機(jī)更進(jìn)一步

【華夏經(jīng)緯網(wǎng)綜合報(bào)道】在競(jìng)爭(zhēng)激烈的量子科技前沿，中國(guó)科學(xué)家在研制量子計(jì)算機(jī)之路上又邁出關(guān)鍵一步。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽(yáng)、劉乃樂(lè)等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)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，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。

國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》10月11日發(fā)表了這一成果。根據(jù)公開(kāi)正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典精確采樣算法，“九章三號(hào)”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號(hào)”提升100萬(wàn)倍，它在百萬(wàn)分之一秒時(shí)間內(nèi)所處理的最高復(fù)雜度的樣本，需要當(dāng)前最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”(Frontier)花費(fèi)超過(guò)200億年的時(shí)間。

量子計(jì)算研究位于國(guó)際第一方陣

2020年12月4日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布該校潘建偉等人成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，僅用200秒就能求解算法。（圖源：新華社）

作為信息科技“后摩爾時(shí)代”一種新型計(jì)算范式，量子計(jì)算在原理上具有超快并行計(jì)算能力，可通過(guò)特定算法產(chǎn)生超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的算力，解決重大經(jīng)濟(jì)社會(huì)問(wèn)題。因此，研發(fā)具有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)，一直是量子計(jì)算領(lǐng)域最重要的發(fā)展目標(biāo)之一，也是當(dāng)前世界科技前沿的兵家必爭(zhēng)之地。

對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的研究，該領(lǐng)域的國(guó)際同行公認(rèn)有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段，其中，第一階段就是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，即通過(guò)對(duì)近百個(gè)量子比特的高精度量子調(diào)控、對(duì)特定問(wèn)題的求解，展現(xiàn)超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的算力。同時(shí)，在此過(guò)程中，發(fā)展出可擴(kuò)展的量子調(diào)控技術(shù)，為研制具備容錯(cuò)能力的通用量子計(jì)算機(jī)提供技術(shù)支撐。

2020年12月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，處理高斯玻色取樣問(wèn)題的速度比當(dāng)時(shí)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快100萬(wàn)億倍，使中國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家，確立了中國(guó)在國(guó)際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位。發(fā)表這一重大科研成果的《科學(xué)》雜志審稿人評(píng)價(jià)：這是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”；美國(guó)麻省理工學(xué)院教授德克·英格倫認(rèn)為，這是“一個(gè)劃時(shí)代的成果”。

2021年5月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)成功研制出當(dāng)時(shí)國(guó)際上量子比特?cái)?shù)目最多的62比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”，并實(shí)現(xiàn)了可編程的二維量子行走。該成果為在超導(dǎo)量子系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”，以及后續(xù)研究具有重大實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

“九章二號(hào)”144模式干涉儀（部分）實(shí)驗(yàn)照片。（圖源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

此后不到一年，“九章”和“祖沖之”雙雙升級(jí)。“九章二號(hào)”操控的光子數(shù)從76個(gè)增加到113個(gè)，多光子量子干涉線路增加到144維度，極大地提高了量子優(yōu)勢(shì)：對(duì)于高斯玻色采樣問(wèn)題，“九章”一分鐘完成的任務(wù)，超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”需要花費(fèi)一億年來(lái)解決；“九章二號(hào)”一毫秒可以解出的問(wèn)題，“富岳”需要算30萬(wàn)億年。

“祖沖之二號(hào)”操控的超導(dǎo)比特?cái)?shù)從62比特上升至66比特，首次達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑。其處理量子隨機(jī)線路取樣問(wèn)題的速度，比當(dāng)時(shí)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快1000萬(wàn)倍，計(jì)算復(fù)雜度比谷歌公開(kāi)報(bào)道的53比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”提高了100萬(wàn)倍。這這一系列令人矚目的成果，使中國(guó)成為目前世界上唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩條技術(shù)路線都達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑的國(guó)家。

“九章三號(hào)”再現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性

“九章三號(hào)”實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖）

此次“九章三號(hào)”的成功構(gòu)建，是在前兩代“九章”的基礎(chǔ)上的又一次技術(shù)躍遷。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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)吻合；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，提供了進(jìn)一步數(shù)據(jù)支撐。在技術(shù)上，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，把多光子態(tài)分束到不同空間模式并通過(guò)延時(shí)把空間轉(zhuǎn)化為時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)光子數(shù)可分辨的探測(cè)系統(tǒng)。一系列創(chuàng)新使團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)255個(gè)光子的操縱能力，提升了光量子計(jì)算的復(fù)雜度。

在構(gòu)建“九章”系列光量子計(jì)算原型機(jī)的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)還揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系，完成了對(duì)稠密子圖等兩類(lèi)具有實(shí)用價(jià)值的圖論問(wèn)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，還在國(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)。

“九章”量子計(jì)算機(jī)光量子干涉實(shí)物圖。（圖源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

據(jù)介紹，“九章三號(hào)”裝置一共分為四大塊：第一塊是受激量子光源；第二塊是超低損耗的量子光路，讓多個(gè)光子之間發(fā)生“干涉”變成量子糾纏態(tài)；第三塊是“九章三號(hào)”新加入的也是升級(jí)最明顯的地方，叫“時(shí)空解復(fù)用的光纖環(huán)”，為的是讓光子分離開(kāi)，好讓第四部分——超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器能夠數(shù)清楚光子具體數(shù)量，進(jìn)而大幅度提高光子的操縱數(shù)量和質(zhì)量。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陸朝陽(yáng)教授表示，“九章三號(hào)”的成功構(gòu)建主要有四方面的意義：首先是使得40年前費(fèi)曼等人的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)；第二是在“九章”發(fā)展過(guò)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)基礎(chǔ)；第三是在激烈的國(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；最后是打開(kāi)了在圖論等實(shí)際問(wèn)題方面的應(yīng)用。

距離通用量子計(jì)算機(jī)還有多遠(yuǎn)？

2023年5月31日，中國(guó)176比特“祖沖之號(hào)”量子計(jì)算云平臺(tái)正式上線，面向全球用戶(hù)開(kāi)放。（圖源：新華社）

量子計(jì)算是一門(mén)艱深的學(xué)科，目前所做的研究不過(guò)是剛剛敲開(kāi)量子科技的大門(mén)，距離最終研制成功通用量子計(jì)算機(jī)還有很長(zhǎng)的路要走。量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力隨量子比特?cái)?shù)目呈指數(shù)增長(zhǎng)，因此量子計(jì)算研究的核心任務(wù)是多量子比特的相干操縱。根據(jù)相干操縱量子比特的規(guī)模，國(guó)際學(xué)術(shù)界公認(rèn)有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：

第一階段是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，即量子計(jì)算機(jī)對(duì)特定問(wèn)題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，達(dá)到這一目標(biāo)需要約50個(gè)量子比特的相干操縱。中國(guó)分別于2020年在光量子體系、2021年在超導(dǎo)線路體系實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

第二階段是實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用量子模擬機(jī)，即相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特，用于解決若干超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的實(shí)用問(wèn)題，例如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等。達(dá)到該階段需要5至10年，是當(dāng)前的主要研究任務(wù)。

第三階段是實(shí)現(xiàn)可編程通用量子計(jì)算機(jī)，即相干操縱至少數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。由于技術(shù)上的難度，何時(shí)實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)尚不明確，國(guó)際學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為還需要15年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

2022年9月4日，一家參展企業(yè)代表在國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全宣傳周網(wǎng)絡(luò)安全博覽會(huì)上介紹量子加密對(duì)講。（圖源：新華社）

值得關(guān)注的是，隨著量子科技的不斷突破，基于量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量等量子信息技術(shù)形成的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出較好的發(fā)展勢(shì)頭。這項(xiàng)看似“高冷”的前沿科技，已悄然應(yīng)用于不少領(lǐng)域。交易優(yōu)化、天氣預(yù)報(bào)等領(lǐng)域，都可能出現(xiàn)量子科技的更多身影。

量子計(jì)算作為一種進(jìn)行高速運(yùn)算、儲(chǔ)存、處理信息的新型計(jì)算技術(shù)，將給現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力帶來(lái)質(zhì)的飛躍。中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、合肥本源量子計(jì)算科技有限責(zé)任公司創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家郭國(guó)平表示，量子計(jì)算當(dāng)前主要用于科學(xué)研究，也在探索商業(yè)化應(yīng)用，其核心硬件為量子計(jì)算機(jī)整機(jī)。

啟科量子首席科學(xué)家羅樂(lè)舉例，量子計(jì)算在人工智能、生物醫(yī)藥、金融等領(lǐng)域都大有可為。例如，利用量子計(jì)算，能在人工智能領(lǐng)域加速數(shù)據(jù)處理和算法運(yùn)行；利用量子計(jì)算還可以進(jìn)行小分子模擬，這是生物醫(yī)藥領(lǐng)域進(jìn)行藥物開(kāi)發(fā)的核心環(huán)節(jié)。

放眼全球，量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展整體處于從基礎(chǔ)科研與實(shí)驗(yàn)探索向產(chǎn)品研發(fā)與推廣應(yīng)用過(guò)渡階段，市場(chǎng)處于培育期向快速成長(zhǎng)期過(guò)渡階段。專(zhuān)家認(rèn)為，我國(guó)量子產(chǎn)業(yè)已顯示出產(chǎn)業(yè)賽道較全、科研實(shí)力較強(qiáng)等特點(diǎn)，也有基礎(chǔ)設(shè)施體量較大、基建能力較強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。面對(duì)愈發(fā)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，中國(guó)量子產(chǎn)業(yè)有望加速實(shí)現(xiàn)新突破。

(資料來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院、新華社、人民日?qǐng)?bào)、學(xué)習(xí)時(shí)報(bào)、科技日?qǐng)?bào))