比最快超算快一億億倍！ “九章三號”來(lái)了

2020年12月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)等學(xué)者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，成功構建76光子的“九章”光量子計算原型機，論文發(fā)表在國際權威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上?！熬耪隆钡拿菫榱思o念中國古代最早的數學(xué)專(zhuān)著(zhù)《九章算術(shù)》。

2021年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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，成功研制113光子144 模式的可相位編程“九章二號” ，成果刊登在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上。這一突破使我國成為全球第二個(gè)(第一個(gè)為谷歌的 Sycamore )實(shí)現“量子優(yōu)越性”的國家。
“九章三號”再創(chuàng )紀錄
在兩年后，他們再次宣布已成功構建量子計算原型機“九章三號”，計算速度比目前全球最快的超級計算機快一億億倍。


央視新聞、新華社等多家媒體報道了這一令人興奮的消息
10月11日據中科大官網(wǎng)報道，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(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 )等組成的研究團隊與中國科學(xué)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，成功構建了255個(gè)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(shù)水平和量子計算優(yōu)越性的世界紀錄。
科研人員設計了時(shí)空解復用的光子探測新方法，構建了高保真度的準光子數可分辨探測器，提升了光子操縱水平和量子計算復雜度。根據公開(kāi)正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典精確采樣算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號”提升一百萬(wàn)倍?！熬耪氯枴痹诎偃f(wàn)分之一秒時(shí)間內所處理的最高復雜度的樣本，需要當前最強的超級計算機“前沿”(Frontier)花費超過(guò)二百億年的時(shí)間。這一成果進(jìn)一步鞏固了我國在光量子計算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。
實(shí)驗裝置示意圖(圖自：中科大)
如果沒(méi)有他們，“九章三號”還要晚一年出來(lái)
在“九章三號”的研發(fā)過(guò)程中，還有一個(gè)小插曲。
2021年11月24日，中國科技大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心發(fā)布的一則《關(guān)于對理化大樓06-004實(shí)驗室漏水進(jìn)行及時(shí)處置的相關(guān)人員進(jìn)行獎勵的通報》顯示，量子計算機“九章”實(shí)驗室發(fā)生漏水，5名學(xué)生及時(shí)處置本次險情，避免了至少2400萬(wàn)元財產(chǎn)損失和可能造成的“九章三號”的研發(fā)延誤。

通報提及，凌晨?jì)牲c(diǎn)去01-004實(shí)驗室調試程序的鐘翰森同學(xué)首先發(fā)現漏水，他立即召集隔壁實(shí)驗室的博士后吳典和覃儉、鄧宇浩、彭禮超等同學(xué)一起積極引水，并及時(shí)通知物業(yè)踹開(kāi)06-004室房門(mén)，關(guān)閉了水閥。
通報指出，由于及時(shí)發(fā)現并緊急處置，實(shí)驗室漏水被第一時(shí)間有效導流至他處并收集，除造成01-004實(shí)驗室一臺臺式電腦損壞外，未造成其他損失。為此，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心研究決定，給予5名學(xué)生共計稅后12萬(wàn)元的獎勵。

這五名學(xué)生名為吳典、覃儉、鄧宇浩、彭禮超和鐘翰森，關(guān)注量子計算領(lǐng)域的人看到這幾個(gè)名字應該很熟悉。去年登上Sicence的中國量子研究，「Quantum computational advantage using photons」的作者，以及“九章”和“九章二號”成果論文作者名單，都包含這五位。

巧合的是，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心當時(shí)剛被美方列入“實(shí)體清單”，而獲發(fā)獎金的五子均有參與“九章”論文寫(xiě)作，勇救“九章”行動(dòng)成為佳話(huà)。如果當時(shí)漏水事件未得到及時(shí)處置，會(huì )延誤“九章三號”實(shí)驗一年以上。
這張通報，再次讓我們感受到“九章”的重要性。據中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官微介紹，量子計算機的研制是世界各國角逐的焦點(diǎn)，而“九章”光量子計算原型機確立了中國在國際量子計算研究中的第一方陣地位。盡管距離實(shí)際應用仍有漫漫長(cháng)路，但成功實(shí)現了“量子計算優(yōu)越性”的里程碑式突破。
光量子計算的國際競爭態(tài)勢
量子計算是后摩爾時(shí)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(guò)特定量子算法在一些具有重大社會(huì )和經(jīng)濟價(jià)值的問(wèn)題方面相比經(jīng)典計算機實(shí)現指數級別的加速。因而，研制量子計算機是當前世界科技前沿的最大挑戰之一。
為此，國際學(xué)術(shù)界制定了三步走的發(fā)展路線(xiàn)。其中，第一步是實(shí)現“量子計算優(yōu)越性”，即通過(guò)對近百個(gè)量子比特的高精度量子調控，對特定問(wèn)題的求解展現超級計算機無(wú)法比擬的算力，這標志著(zhù)40年前 Feynman等人的夢(mèng)想成為現實(shí)?！傲孔佑嬎銉?yōu)越性”實(shí)驗還可用于檢驗計算科學(xué)的“擴展的丘奇—圖靈論題”。同時(shí)，在此過(guò)程中，發(fā)展出可擴展的量子調控技術(shù)，為具備容錯能力的通用量子計算機的研制提供技術(shù)基礎。
2019年，美國谷歌和加州大學(xué)發(fā)布了53比特“懸鈴木”超導量子計算處理器，宣稱(chēng)用200秒求解的隨機線(xiàn)路采樣問(wèn)題需要超級計算機一萬(wàn)年時(shí)間求解。然而，這一宣稱(chēng)隨后受到了中國科學(xué)家的挑戰，改進(jìn)后的經(jīng)典算法使得超算上的計算時(shí)間從一萬(wàn)年縮短到數十秒，快于“懸鈴木”量子處理器。
光量子計算的國際競爭態(tài)勢(圖自：央視新聞)
據介紹，玻色取樣是用來(lái)展示量子計算優(yōu)越性的特定任務(wù)中的一項，大致可以理解為：“一個(gè)光路有很多個(gè)出口，問(wèn)每一個(gè)出口有多少光出去?！薄熬耪隆备皯意從尽钡膮^別，一是處理的問(wèn)題不同，二是用來(lái)造量子計算機的物理體系不同?！熬耪隆庇玫氖枪鈱W(xué)，“懸鈴木”用的是超導。技術(shù)路線(xiàn)不同，“九章”在同樣的賽道上比“懸鈴木”快一百億倍，這就是等效速度，牢固確立了中國在國際量子計算研究中“第一方陣”地位。
唯一在光學(xué)和超導上都達到“量子優(yōu)越性”的國家
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[Science 370, 1460 (2020)]，首次在國際上實(shí)現光學(xué)體系的“量子計算優(yōu)越性”，并克服了谷歌實(shí)驗中量子優(yōu)越性依賴(lài)于樣本數量的漏洞。2021年，中國科大團隊進(jìn)一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號”[PRL 127, 180502 (2021)]和56比特的“祖沖之二號”量子計算原型機[PRL 127, 180501 (2021)]，使我國成為唯一在光學(xué)和超導兩種技術(shù)路線(xiàn)都達到了“量子計算優(yōu)越性”的國家。
在這個(gè)“量子計算優(yōu)越性”戰略高地，國際競爭呈現出白熱化。位于加拿大多倫多的Xanadu公司與美國國家標準與技術(shù)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(xiàn)，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(gè)實(shí)現了光學(xué)體系“量子計算優(yōu)越性”。
光量子計算的國際競爭態(tài)勢(圖自：中科大)
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(shí)現了更精確的理論與實(shí)驗的吻合;同時(shí)，發(fā)展了完備的貝葉斯驗證和關(guān)聯(lián)函數驗證，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(jìn)一步數據支撐。在技術(shù)上，研制了基于光纖時(shí)間延遲環(huán)的超導納米線(xiàn)探測器，把多光子態(tài)分束到不同空間模式并通過(guò)延時(shí)把空間轉化為時(shí)間，實(shí)現了準光子數可分辨的探測系統。
這一系列創(chuàng )新使得研究團隊首次實(shí)現了對255個(gè)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(wàn)倍。在激烈的國際競爭角逐中，“九章三號”的實(shí)現進(jìn)一步鞏固了我國在光量子計算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。
進(jìn)一步，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學(xué)聯(lián)系，完成對稠密子圖和Max-Haf兩類(lèi)具有實(shí)用價(jià)值的圖論問(wèn)題的求解，相比經(jīng)典計算機精確模擬的速度快1.8億倍[PRL 130, 190601 (2023)]。此外，又在國際上首次演示了無(wú)條件的多光子量子精密測量?jì)?yōu)勢[PRL 130, 070801(2023)]。

九章三號的計算復雜度需要花費超級計算機的時(shí)間。1微秒可算出的最復雜樣本，當前全球最快的超級計算機“前沿”(Frontier)約需200億年。(圖自：中科大)量子計算優(yōu)越性的研究是一個(gè)復雜而富有挑戰性的工作，量子計算硬件與經(jīng)典算法之間存在著(zhù)長(cháng)期競爭。研究人員期待這項工作一方面能夠激發(fā)更多關(guān)于經(jīng)典算法模擬的研究工作，另一方面有助于逐步解決量子計算研究中的各種科學(xué)和工程挑戰。
上述項目受到了安徽省、上海市、科技部、中國科學(xué)院和基金委的支持。
國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》發(fā)表該成果。論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/issues/131/15

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