光量子干涉实物图。（图片来源：中国科学技术大学。）

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”。计算玻色采样问题，“九章”处理5000万个样本只需200秒，而目前世界快的超级计算机需要6亿年。

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。

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。

光+机+电的成熟运用、精密光学元件打“基础”

“九章”由上千个精密光学元器件组成，从激光光源、激光器、光学反射镜、光学分光镜、光学透镜、立方体分光镜到各类光学调整架、支柱、底座、位移台以及防振台等，经过精密的排列组合搭建出一套超级量子计算原型机。

量子计算机原型机

如今，基于“九章”的高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。潘建伟团队表示，尽管“九章”算力惊人，但只是在量子计算阶段树起的一座里程碑。“希望能通过15年到20年的努力，研制出通用的量子计算机，来解决密码分析、气象预报、药物设计等应用非常广泛的问题。”潘建伟表示。

《科学》杂志审稿人评价，这是“一个先进的实验”“一个重大成就”。“量子优越性”实验并非一蹴而就的工作，而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争。但终，量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力。潘建伟团队希望，这个工作能够激发更多的经典算法模拟方面的工作。

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