“比超級計算機快億億億倍！”

此次，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息與量子科技創(chuàng )新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等構建了66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”，實(shí)現了對“量子隨機線(xiàn)路取樣”任務(wù)的快速求解。
根據現有理論，“祖沖之二號”處理的量子隨機線(xiàn)路取樣問(wèn)題的速度比目前最快的超級計算機快7個(gè)數量級，計算復雜度比谷歌公開(kāi)報道的53比特超導量子計算原型機“懸鈴木”提高了6個(gè)數量級（“懸鈴木”處理“量子隨機線(xiàn)路取樣”問(wèn)題比經(jīng)典超算快2個(gè)數量級），這一成果是我國繼光量子計算原型機“九章”后在超導量子比特體系首次達到“量子計算優(yōu)越性”里程碑，使得我國成為目前唯一同時(shí)在兩種物理體系都達到這一里程碑的國家。相關(guān)論文成果日前相繼發(fā)表在《物理評論快報》和《科學(xué)通報》上。

量子計算機對特定問(wèn)題的求解超越超級計算機，即量子計算優(yōu)越性，是量子計算發(fā)展的第一個(gè)里程碑，達到該里程碑需要相干操縱50個(gè)以上量子比特。超導量子比特是國際公認的有望實(shí)現可擴展量子計算的物理體系之一。潘建偉、朱曉波、彭承志等長(cháng)期瞄準超導量子計算領(lǐng)域，于2021年5月構建了當時(shí)國際上量子比特數目最多的62比特超導量子計算原型機“祖沖之號”，并實(shí)現了可編程的二維量子行走。
團隊在“祖沖之號”工作的基礎上，采用全新的倒裝焊3D封裝工藝，解決了大規模比特集成的問(wèn)題，研制成功“祖沖之二號”，實(shí)現了66個(gè)數據比特、110個(gè)耦合比特、11路讀取的高密度集成，最大態(tài)空間維度達到了1019?！白鏇_之二號”采用可調耦合架構，實(shí)現了比特間耦合強度的快速、精確可調，顯著(zhù)提高了并行量子門(mén)操作的保真度。通過(guò)量子編程的方式，研究人員實(shí)現了對量子隨機線(xiàn)路取樣，演示了“祖沖之二號”可用于執行任意量子算法的編程能力。
根據目前已公開(kāi)的最優(yōu)化經(jīng)典算法，“祖沖之二號”處理量子隨機線(xiàn)路取樣問(wèn)題的速度比目前最快的超級計算機快7個(gè)數量級，計算復雜度較谷歌“懸鈴木”提高了6個(gè)數量級。
量子計算優(yōu)越性的成功演示標志著(zhù)量子計算研究進(jìn)入到發(fā)展的第二階段，開(kāi)始量子糾錯和近期應用的探索?！白鏇_之二號”采用二維網(wǎng)格比特排布芯片架構，直接兼容表面碼量子糾錯算法，為量子糾錯并進(jìn)一步實(shí)現通用量子計算奠定了基礎。同時(shí)，“祖沖之二號”的并行高保真度量子門(mén)操控能力和完全可編程能力，有望在特定領(lǐng)域找到有實(shí)用價(jià)值的應用，預期應用包括量子機器學(xué)習、量子化學(xué)、量子近似優(yōu)化等。　

科技日報記者26日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉、陸朝陽(yáng)、劉乃樂(lè )等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，發(fā)展了量子光源受激放大的理論和實(shí)驗方法，構建了113個(gè)光子144模式的量子計算原型機“九章二號”，并實(shí)現了相位可編程功能，完成了對用于演示“量子計算優(yōu)越性”的高斯玻色取樣任務(wù)的快速求解。根據現有理論，“九章二號”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快10的24次方倍。這一成果再次刷新了國際上光量子操縱的技術(shù)水平，進(jìn)一步提供了量子計算加速的實(shí)驗證據。
他們研究成果的相關(guān)論文于2021年10月26日以“編輯推薦”的形式發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上。著(zhù)名量子物理學(xué)家、加拿大Calgary大學(xué)教授Barry Sanders同時(shí)受邀在Physics網(wǎng)站上謄寫(xiě)長(cháng)篇評述文章，稱(chēng)贊該工作是“令人激動(dòng)的實(shí)驗杰作”（dramatic tour de force.....），“令人印象深刻的最前沿的進(jìn)步”（an impressive advance over the state-of-the-art）。

量子計算機在原理上可通過(guò)特定算法在一些具有重大社會(huì )和經(jīng)濟價(jià)值的問(wèn)題方面，獲得比經(jīng)典計算機更強的算力。早在1981年，費曼就提出了量子計算的初步想法。大規模量子計算機的物理實(shí)現是世界科技前沿的重大挑戰之一。對于研制容錯的通用量子計算，因其苛刻的容錯閾值和大尺度的量子比特數目，離目前人類(lèi)的科技發(fā)展水平尚有不小的差距。
因此，實(shí)現對于量子計算的物理實(shí)現，國際學(xué)術(shù)界采取三步走的路線(xiàn)圖。其中，第一個(gè)里程碑，在學(xué)術(shù)上被稱(chēng)為“量子計算優(yōu)越性”，其含義是通過(guò)高精度地操縱近百個(gè)物理比特，用來(lái)高效地解決超級計算機都無(wú)法在合理時(shí)間內解決的特定的高復雜度數學(xué)問(wèn)題，從實(shí)驗上確鑿地證明四十年前費曼所提出來(lái)地量子計算加速設想，并駁斥“擴展丘奇—圖靈論題”。
基于光子的玻色取樣和基于超導比特的隨機線(xiàn)路取樣是實(shí)驗展示量子計算優(yōu)越性的兩個(gè)重要方案。潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處于國際領(lǐng)先水平。2017年，該團隊構建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算原型機。2019年，團隊進(jìn)一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實(shí)現了20光子輸入60模式干涉線(xiàn)路的玻色取樣，輸出希爾伯特態(tài)空間維度達到1014，逼近了“量子計算優(yōu)越性”。
2020年，潘建偉團隊成功構建了76個(gè)光子100個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”，輸出量子態(tài)空間規模達到了1030，處理高斯玻色取樣的速度比超級計算機快一百萬(wàn)億倍，同時(shí)克服了谷歌基于“懸鈴木”超導處理器的隨機線(xiàn)路取樣實(shí)驗中量子優(yōu)越性依賴(lài)于樣本數量的漏洞?！熬耪隆睂?shí)驗完成后，在理論提出玻色取樣算法和證明計算復雜度的Scott Aaronson教授隨后獲得了由國際計算機協(xié)會(huì )頒發(fā)的ACM Prize in Computing。
2021年，團隊在“九章”的基礎上，進(jìn)行了一系列概念和技術(shù)創(chuàng )新。受到激光—“受激輻射光放大”概念的啟發(fā)，研究人員設計并實(shí)現了受激雙模量子壓縮光源，顯著(zhù)提高了量子光源的產(chǎn)率、品質(zhì)和收集效率。其次，通過(guò)三維集成和收集光路的緊湊設計，多光子量子干涉線(xiàn)路增加到了144維度。由此，“九章二號”探測到的光子數增加到了113個(gè)，輸出態(tài)空間維度達到了1043。進(jìn)一步，通過(guò)動(dòng)態(tài)調節壓縮光的相位，研究人員實(shí)現了對高斯玻色取樣矩陣的重新配置，演示了“九章二號”可用于求解不同參數數學(xué)問(wèn)題的編程能力。根據目前已正式發(fā)表的最優(yōu)化經(jīng)典算法，“九章二號”在高斯玻色取樣這個(gè)問(wèn)題上的處理速度比最快的超級計算機快億億億倍。

研究人員希望這個(gè)工作能夠繼續激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作，也預計將來(lái)會(huì )有提升的空間。研究人員也表示，量子優(yōu)越性實(shí)驗并不是一個(gè)一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭，但最終量子并行性會(huì )產(chǎn)生經(jīng)典計算機無(wú)法企及的算力。