一个最先进的实验！潘建伟领衔研究20年，中国量子计算原型机“九章”问世
200秒只是短短一瞬，6亿年早已是沧海桑田。12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。
“量子优越性像个门槛，是指当新生的量子计算原型机，在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明其未来有多方超越的可能。”中科大教授陆朝阳说，多年来国际学界高度关注、期待这个里程碑式转折点到来。
去年9月，美国谷歌公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学算法的计算只需200秒，而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需2天，实现了“量子优越性”。
近期，潘建伟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，成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。
实验显示，当求解5000万个样本的高斯玻色取样时，“九章”需200秒，而目前世界最快的超级计算机“富岳”需6亿年。等效来看，“九章”的计算速度比“悬铃木”快100亿倍，并弥补了“悬铃木”依赖样本数量的技术漏洞。
据悉，潘建伟团队这次突破历经20年，主要攻克高品质光子源、高精度锁相、规模化干涉三大技术难题。
“比如说，我们每次喝下一口水很容易，但每次喝下一个水分子很困难。”潘建伟说，光子源要保证每次只放出1个光子，且每个光子一模一样，这是巨大挑战。同时，锁相精度要在10的负9次方以内，相当于100公里距离的传输误差不能超过一根头发直径。
与通用计算机相比，“九章”还只是“单项冠军”。但其超强算力，在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用价值。
12月4日，国际学术期刊《科学》发表了该成果，审稿人评价这是“一个最先进的实验”“一个重大成就”。
潘建伟1970年3月出生于浙江东阳，被誉为“中国的量子之父”。2011年，潘建伟当选中国科学院院士。2012年，他获得了国际量子通讯奖。2015年，他成为国家自然科学奖一等奖最年轻的第一完成人，当选中国科学技术大学常务副校长。2019年，他获得了伍德奖。
1987年，17岁的潘建伟放弃了保送浙江大学等高校的机会，选择了中国科学技术大学近代物理系求学，从此与量子有了不解之缘。
1995年，在声名显赫的近代物理系，潘建伟的成绩中等偏下，但他凭着一股“倔劲儿”以优异的成绩取得了硕士学位。
1996年，潘建伟投入奥地利维也纳大学塞林教授门下，攻读博士学位。
2001年，在导师的不解和反对声中，潘建伟依然选择回国，开始建立他梦寐以求的量子物理与量子信息实验室。
在位于安徽合肥的中科院量子创新研究院，记者看到，最新研制成功的量子计算原型机几乎占据了半个实验室，包含上千个部件。经过二十多年研究攻关，科研团队通过在量子光源、量子干涉、单光子探测器等领域的自主创新，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”。
中国科学技术大学教授 陆朝阳：它就采取了由76个光子输出，然后在100×100的这样一个目前世界上最大尺度的这样一个干涉仪里面进行干涉，那么干涉的过程其实也是我们计完成计算的这样一个过程。
“九章”计算速度达超级计算机百亿倍
实验结果显示，“九章”处理特定问题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，同时也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，成功实现了量子计算领域的第一个里程碑——量子计算优越性。
中国科学院院士 中国科学技术大学教授 潘建伟：“九章号”展示了量子计算的强大的算力。我们将把它初步用于量子化学的一些研究，图论里面的一些组合数学方面的一些研究，甚至也可以用于一些机器学习的研究，所以它就可以把有些传统上认为是比较困难的问题，用我们的计算机就可以来做一些有效的有益的探索。
科研团队介绍，“九章号”量子计算原型机确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现规模化量子模拟机奠定了技术基础。随着计算能力的进一步提升，量子计算机将有望在密码破译、材料设计、药物分析等具有实用价值的领域发挥重要作用。
麻省理工学院教授 美国青年科学家总统奖得主 德克 英格伦：我认为这是一个了不起的成就，这是开发这些中型量子计算机的一个里程碑。
奥地利科学院院长 美国科学院院士 安东 蔡林格：这项工作成果很重要，证明了基于光子的量子计算机也可能实现量子计算优越性。我相信有朝一日量子计算机会被广泛使用，甚至每个人都可以使用。
拥有并行计算能力 计算速度指数级增加
量子科技，是国际最为关注的前沿热点之一。如果将传统计算机的速度比作“自行车”，量子计算机的速度则是“飞机”。量子计算为何具有如此强大的计算能力？“量子计算优越性”究竟是什么呢？
量子就是质量、能量等各种物理量的最小单元，而且它也要以某种粒子状态存在。如果说到能量，比如光，一个光子就是一个量子。
中国科学技术大学教授 陆朝阳：量子计算机它是利用量子力学的原理，量子力学它可以允许一个物体同时处于多种状态，那么比如说0和1同时存在，它可以做一个原理上叫做并行计算，就是很多个任务可以一起完成，因此它就有了这样一种超越经典计算机的计算能力。
正是因为具有超快的并行计算能力，量子计算可望通过特定算法实现指数级别的加速。对于量子计算机的研究，科学界公认有三个指标性的发展阶段。
中国科学院院士 中国科学技术大学教授 潘建伟：在我们的量子计算里面，第一个里程碑性的目标就是要来展示量子计算的优越性。我们在高斯波色采样实验当中构建了一个量子计算的原型机，可以比目前最快的超算能够快10的14次方倍，就相当于我这里算一分钟的东西，用“富岳号”拿来算的话，要算一亿年它才能把这个事情给算完，这就是叫做量子优越性。就是我总算可以演示某个功能比传统的超级计算机算得好了，这样的话我们就可以进一步地去寻找各种各样的应用。
潘建伟介绍，将实现量子计算优越性的这台量子原型机命名为“九章”，是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。在“九章”量子原型机的基础上，研究团队将通过提高量子比特的操纵精度等一系列技术攻关，力争尽早研制出可编程的通用量子计算原型机。
中国科学院院士 中国科学技术大学教授 潘建伟：希望能够通过15年到20年的努力，能够研制出通用的量子计算机，这样的话它就可以来解决很多非常广泛的问题了。比如包括密码分析、气象预报、药物设计，探索物理学或者化学生物学里面的一些复杂的问题。
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值班编辑：钱逸
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