近日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等学者组成的研究团队与中国科学院上海微系统所与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的 “高斯玻色取样”任务的快速求解。计算玻色采样问题，“九章”处理5000万个样本只需200秒，而目前世界最快的超级计算机需要6亿年。
据悉，根据现有理论，该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍(“九章”一分钟完成的任务，超级计算机需要一亿年)。等效地，其速度比去年谷歌发布的 53 个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。
中国科学技术大学表示，这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性(国外也称之为 “量子霸权”)。相关论文于 12 月 4 日在线发表在国际学术期刊《科学》。
据介绍，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”。
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)。
这是我国首次实现“量子计算优越性”，这一突破也使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。12月4日，《科学》杂志发表了该成果。
难点众多
在设备的自主研发、技术革新上下功夫
“九章”，既是中国古代的数学专著《九章算术》，也是牢固确立了我国在国际量子计算研究中第一方阵地位的量子计算原型机，二者皆有里程碑意义。
“量子计算优越性”，指的是作为新生事物的量子计算机，一旦在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明了量子计算机的优越性，跨过了未来在多方面超越传统计算机的门槛。
“这将实验各方面的技术推进到远超以前的水平。”澳大利亚昆士兰大学教授蒂姆·拉夫说：“该设备的规模是非凡的：100模式干涉仪、25个压缩器提供输入的量子态、使用100个单光子探测器进行探测，并且实现了同时保持高效率，稳定性和量子不可分辨性——这都是展示量子计算优越性所必需的。”
从20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，到76个光子100个模式的高斯玻色取样，必须在设备上下功夫。“一开始，高效率100通道超导纳米线单光子探测器性能很低，只有4%。我们通过与中科院上海微系统与信息技术研究所合作，自主研发、技术革新，现在其性能已经提升到了98%。”陆朝阳说，不断增强量子光源、量子干涉、单光子探测器等领域的自主创新，是下一步研究的重点。
“利用量子器件来解决日益复杂的问题并体现量子优势，是量子科学前沿中的最重要问题之一。”美国科学院院士、沃尔夫奖得主、狄拉克奖章得主彼得·佐勒认为，潘建伟团队的研究，在量子系统的大小与扩展性、实际应用的前景方面把研究水平提升到了一个新的高度。
意义非凡
在不增加能耗的基础上，提升计算能力
“大数据时代，全球数据量呈指数增长，每两年翻一番。庞大的数据若不提取，则没有意义。”潘建伟说。目前，计算机传统的发展模式受限，超级计算机能耗巨大。在潘建伟看来，“九章”问世，其意义在于在不增加能耗的基础上，提升计算能力。