中国在两种物理体系实现量子计算优越性

10月25日，著名物理学期刊《物理评论快报》同时发表了中国科学技术大学的两篇论文，文章表明，随着66比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”(也称“祖冲之2.0”)的研制成功和113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”(也称“九章2.0”)的构建，中国科学技术大学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，这也意味着我国成为目前世界上唯一在两种物理体系达到量子计算优越性里程碑的国家。

记者获悉，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、朱晓波、彭承志等组成的研究团队，与中科院上海技术物理研究所合作，构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解。根据现有理论，“祖冲之二号”处理的量子随机线路取样问题的速度比目前最快的超级计算机快7个数量级，计算复杂度比谷歌公开报道的53比特超导量子计算原型机“悬铃木”提高了6个数量级，这一成果是我国继光量子计算原型机“九章”后在超导量子比特体系首次达到“量子计算优越性”里程碑。

1981年，诺贝尔奖获得者理查德·费曼提出了量子计算机构想，如何把“构想”变成现实一直是科学家们的梦想。目前，量子计算已被认为可能是下一代信息革命的关键技术，可通过特定算法产生超越传统计算机的算力，解决重大经济社会问题。因此，研制量子计算机成为世界科技前沿重大挑战。

2020年，潘建伟团队成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，处理高斯玻色取样问题的速度只需要200秒，比超级计算机快100万亿倍，使中国成为全球第二个实现“量子优越性”(也称“量子霸权”)的国家。

今年以来，潘建伟团队进行了一系列概念和技术创新，于近期成功研制出“九章二号”。

“我们主要有三大突破，首先显著提高了量子光源的产率、品质和收集效率，将光源关键指标从63%提升到92%。其次，将多光子量子干涉线路从100维度增加到144维度，操纵的光子数从76个增加到113个。再次，新增了可编程功能。”研究团队成员、中科大教授陆朝阳说。

实验结果显示，“九章二号”的算力实现了巨大提升。根据目前已发表的最优经典算法，“九章二号”求解高斯玻色取样问题的处理速度，比全球最快的超级计算机快亿亿亿倍(10的24次方倍)，比“九章”快100亿倍。“九章二号”1毫秒可算出的问题，全球“最快超算”需30万亿年。

“目前的‘九章二号’还只是‘单项冠军’，但其超强算力在图论、量子化学等领域具有潜在应用价值。”陆朝阳说，“未来的通用型量子计算机有望在密码破译、天气预报、材料设计、药物分析等领域发挥作用。”

而同期另一篇论文表明，中国科学技术大学潘建伟、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。根据现有理论，“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1024倍。这一成果再次刷新了国际上光量子操纵的技术水平，进一步提供了量子计算加速的实验证据。

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，该团队构建了世界首台超越早期经典计算机的光量子计算原型机。2019年，团队进一步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，逼近了“量子计算优越性”。

今年，该团队在“九章”的基础上，进行了一系列概念和技术创新。受到激光——“受激辐射光放大”概念的启发，研究人员设计并实现了受激双模量子压缩光源，显著提高了量子光源的产率、品质和收集效率。此外，通过三维集成和收集光路的紧凑设计，多光子量子干涉线路增加到了144维度。由此，“九章二号”探测到的光子数增加到了113个，输出态空间维度达到了1043。通过动态调节压缩光的相位，研究人员进一步实现了对高斯玻色取样矩阵的重新配置，演示了“九章二号”可用于求解不同参数数学问题的编程能力。