中国“量子霸权”成果：比最快超级计算机快一百万亿倍

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文|一君

北京时间 12 月 4 日，《Science》刊发了中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队论文《Quantum computational advantage using photons》。中国科学技术大学称：“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’。”

光量子干涉实物图。左下方为输入光学部分，右下方为锁相光路，上方共输出100个光学模式，分别通过低损耗单模光纤与100超导单光子探测器连接。摄影：马潇汉，梁竞，邓宇皓

据介绍，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳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，构建了 76个 光子 100 个模式的量子计算原型机“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。而“九章”这个名字也是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。

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。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）。

光量子干涉示意图 。制图：文乐，罗弋涵

量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面（如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等）相比经典计算机实现指数级别的加速。当前，研制量子计算机已成为世界科技前沿的最大挑战之一，成为欧美各发达国家角逐的焦点。

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”。“九章”研究成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位。

未来，基于“九章号”量子计算原型机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，这也将是后续发展的重要方向。

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