中国量子霸权之路，走了二十年

光子盒研究院出品

在谷歌宣布量子霸权一年后，中国成为全球第二个实现量子霸权（quantum supremacy）的国家，虽然我们用的是“量子优越性”这种含蓄的说法，但“九章”的计算速度已经比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“Sycamore”快一百亿倍。

实现这一壮举的是以潘建伟、陆朝阳为首的研究团队，但绝非一蹴而就，从中国第一个量子信息“973”项目算起，中国量子霸权之路，走了整整二十年。

二十年成绩斐然

1970年出生的潘建伟，在中科大度过了他的本科和硕士生涯，1996年，在导师推荐下进入奥地利维也纳大学攻读博士，师从量子实验研究的世界级大师安东·蔡林格（Anton Zeilinger）。

1997年，Zeilinger小组一篇题为“实验量子隐形传态”的研究论文在《自然》杂志上发表，该成果被公认为量子信息实验领域的开山之作，同时被被欧洲物理学会和美国物理学会评为世界物理学年度重大进展，被美国《科学》杂志评为年度全球十大科技进展。该工作后来还被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”之一。

潘建伟作为论文的第二作者，刚刚27岁。

学成的潘建伟准备回国，他的科研项目申请在2001年获得批准，于是回到中科大工作。他在组织科研队伍、开展实验室建设的同时，还继续在维也纳大学从事多光子纠缠方面的合作研究。

2004年，潘建伟小组在国际上首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输，《自然》杂志发表了这一成果，并称赞说“五粒子纠缠的实现非常困难，但是中科大的潘建伟教授和他的同事们完成了这一壮举。”这一年，潘建伟以玛丽·居里讲席教授的身份到德国海德堡大学从事量子存储的合作研究。

2007年，潘建伟小组又在国际上率先实现六光子纠缠。论文发表在《自然·物理学》上，为同年发表在该期刊上被引用最多的两篇研究论文之一。

在与各大学合作研究的同时，潘建伟也在悄然地下着一盘棋。量子信息研究集多学科于一体，要想取得突破，必须拥有不同学科背景的人才。这些年里，潘建伟一直在储备各种人才，将不同学科背景的年轻人一一送出国门，分布到德国、英国、美国、瑞士、奥地利等量子信息研究的优秀国际小组加以锻炼。

2008年，随着人才储备完成、科研能力趋于稳定以及国内实验室搭建完成，潘建伟和他在德国的团队整体回归中国科大。

那些特意“放飞”国外多年的年轻人，如同风筝收线一般，也悉数回国，使科大团队得到了空前的壮大：做冷原子物理的陈帅、苑震生、陈宇翱回来了，做量子点的陆朝阳回来了，做单光子探测器的张强和张军回来了，做光量子通信和量子计算的陈凯回来了,做理论的赵博和邓友金回来了……

在光子体系，潘建伟团队在国际上率先实现了五光子、六光子、八光子和十光子纠缠，一直保持着国际领先水平。

2018年，潘建伟团队又刷新了所有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录，在国际上首次实现18个光量子比特的纠缠。该成果以“编辑推荐”的形式发表在《物理评论快报》上，从投稿经国际同行评议到被正式接收，只用了三个星期的时间。

在超导量子计算方面，2017年潘建伟、陆朝阳、朱晓波等联合浙江大学王浩华教授研究组，打破了之前由谷歌公开报道的9个超导量子比特的操纵，首次实现了10个超导量子比特的纠缠，并在此基础上实现了快速求解线性方程组的量子算法。

2019年，潘建伟朱晓波、陆朝阳、彭承志等通过设计和加工了高品质的12比特一维链超导比特芯片，并且采用并行逻辑门操作方式避免比特间的串扰，以及热循环操作去除不需要的二能级系统对于比特性能的影响，首次制备并验证了12个超导比特的真纠缠，保真度达到70%。

超导芯片示意图

同年，中科大潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的超导量子实验团队，联合中科院物理所范桁理论小组，在国际上首次研制24个超导量子比特处理器演示量子模拟实验。研究人员通过对超过20个超导量子比特的高精度相干调控，实现了Bose-Hubbard梯子模型多体量子系统的模拟。

2020年8月的墨子沙龙上，潘建伟团队超导量子计算负责人朱晓波透露了中科大今年预计可以实现60量子比特、99.5%保真度的超导量子系统，5年后希望能将这一数字提高到千个量子比特。

在超冷原子量子计算方面，早在2016年，潘建伟及其同事苑震生、陈宇翱等在国际上首次实现了对光晶格中超冷原子自旋比特纠缠态的产生、操控和探测。

2020年6月，潘建伟、苑震生等在光晶格中首次实现了1250对原子高保真度纠缠态的同步制备，为基于超冷原子光晶格的规模化量子计算与模拟奠定了基础。

上个月，潘建伟、苑震生等与德国海德堡大学、意大利特伦托大学的合作者开发了一种专用的量子计算机——71个格点的超冷原子光晶格量子模拟器，并对量子电动力学方程施温格模型进行了成功模拟，取得了利用规模化量子计算和量子模拟方法求解复杂物理问题的重要突破。

潘建伟团队在光子、冷原子、超导等技术路线取得斐然成绩，但最终实现量子霸权的是一种更新的光量子计算技术。

从玻色取样到量子霸权

2011年，41岁的潘建伟成为中科院最年轻的院士之一。同年，MIT的科学家Aaronson和Arkhipov提出了玻色取样（Boson sampling）的概念，展示如何用几个激光、镜子、棱镜和光子探测器实现有限的量子计算机。

突然间，光量子计算出现了一条新的道路。

所谓“玻色取样”问题，我们可以理解成一个量子世界的高尔顿板。高尔顿板问题是由英国生物统计学家高尔顿提出来的，这个问题的模型如下图所示，小球从最上方被扔下，每经过一个钉板，都有一半的可能从左边走，一半的可能从右边走，当有很多个小球从上往下随机掉落时，落在下面的格子里的小球数量分布上会呈现一定的统计规律，这个模型可以用来直观地认识中心极限定理。

 高尔顿板示意图

如果将高尔顿板发展出一个量子版本，即由全同光子来代替小球，用分束器（当一束光通过分束器时会被分成两束强度较低的光，一束透射，另一束反射）来代替钉子，则这个游戏就变成“玻色取样”的量子模拟。

更一般来讲，“玻色取样”是指在n个全同玻色子经过一个干涉仪后，对n个玻色子的整个输出态空间进行取样的问题。取样过程和分布概率息息相关。

Aaronson 和Arkhipov研究发现，n光子“玻色取样”的分布概率正比于n维矩阵积和式的模方，从计算复杂度的角度来看，积和式的求解使用当前经典最优算法需要O(n2n)步，并随着光子数的增加求解步数呈指数上涨。这个问题对于量子计算机来说在中小规模下就可以打败超级计算机。

由于单光子的制备比较困难，Lund 等人提出了一个新型的玻色取样装置（SBS），该装置的优势是通过压缩态提供了单光子源的产生设备，缺点是需要付出一定的空间来作为输入态的制备。

在此基础上，Kruse等人提出了高斯玻色取样模型（GBS），该模型光子更好制备，并且不需要额外的空间。下图是GBS的物理实现示意图，光子从左边的K模压缩真空态产生，经过线性光学网络，从右边M模输出口输出。

GBS模型

很快，潘建伟团队发现了玻色取样的潜力。在2013年乌兹堡中德固态量子信息研讨会上，潘建伟和陆朝阳讨论并定下玻色取样研究计划。

潘建伟（第一排左四）和陆朝阳（第一排左一）

要发展能够真正实用化的光量子信息技术，关键技术之一是实现确定性的高品质单光子源。在明确玻色取样研究计划后，潘建伟团队以此为突破点，着手研制高性能单光子源。

2013年，潘建伟、陆朝阳等在国际上首创量子点脉冲共振激发技术，从根本上消除了量子点激子的消相干效应，解决了单光子源的确定性产生和高品质这两个基本问题。这个技术只需要相比之前万分之一的激发功率即可确定地产生99.5%品质的单光子，因而很快成为国际上公认的制备高质量单光子源的最佳利器，激发了学术界在单光子研究方向的新热潮。

为了提高荧光提取效率，2016年，潘建伟、陆朝阳等结合高精度分子束外延、纳米刻蚀和共振激发，实现了单量子点精确耦合的高品质因子谐振腔，产生了当时国际上综合性能最优的单光子源。

2017年，潘建伟团队利用该量子点单光子源，通过电控可编程的光量子线路，构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机。实验测试表明，该原型机的取样速度比国际同行类似的实验加快至少2.4万倍。也是世界首台超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机。

然而，要实现完美的单光子源，还存在着两个悬而未决的难题：一是量子点会随机发射两种偏振的光子，二是共振激发需要消除背景激光。使得单光子源必须在高品质和高效率之间做权衡，成为多年来难以逾越的障碍。

为此，潘建伟团队于2019年提出相干双色激发和椭圆微腔耦合理论方案，在实验上同时解决了单光子源所存在的混合偏振和激光背景散射这两个最后的难题，并在窄带和宽带微腔上成功研制出了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的单光子源，相关成果被选为《自然光子学》封面文章。

2019年12月，潘建伟团队利用自主发展的国际最高效率和最高品质单光子源、最大规模和最高透过率的多通道光学干涉仪，并通过与中科院上海微系统所尤立星在超导纳米线高效率单光子探测器方面的合作，成功实现了20光子输入6060模式（60个输入口，60层的线路深度，包括396个分束器和108个反射镜）干涉线路的玻色取样实验。

与国际同行的类似工作相比，实验成功操纵的单光子数增加了5倍，模式数增加了5倍，取样速率提高了6万倍，输出态空间维数提高了百亿倍。其中，由于多光子高模式特性，输出态空间达到了三百七十万亿维数，这等效于48个量子比特展开的希尔伯特空间。

因此，实验首次将玻色取样推进到一个全新的区域：无法通过经典计算机直接全面验证该波色取样量子计算原型机，朝着演示量子计算优越性的科学目标迈出了关键的一步。

这一成果让中国无限逼近“量子霸权”。

实际上，今年9月潘建伟就在西湖大学首场公开课演讲上透露其团队已经完成了对50个光子的玻色取样，相比谷歌的“量子优越性”大概可以快100万倍。这一报道收到了一些质疑声，但是仅时隔三个月，实现了100亿倍于谷歌的速度。

2020年12月4日，这是一个历史性的时刻。

潘建伟、陆朝阳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。

潘建伟将其命名为“九章”，是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。

“九章”量子计算原型机光路系统原理图：左上方激光系统产生高峰值功率飞秒脉冲；左方25个光源通过参量下转换过程产生50路单模压缩态输入到右方100模式光量子干涉网络；最后利用100个高效率超导单光子探测器对干涉仪输出光量子态进行探测。(制图：陆朝阳，彭礼超)

根据目前最优经典算法，“九章”对于处理高斯玻色取样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，等效地比谷歌去年发布的53比特量子计算原型机“Sycamore”快一百亿倍。

同时，通过高斯玻色取样证明的“量子霸权”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（“Sycamore”输出量子态空间规模是1016，目前全世界的存储容量是1022）。

这一里程碑式的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，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。此外，基于“九章”量子计算原型机的高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域均具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。

对于量子计算机的研究，国际同行公认有三个指标性的发展阶段：

1.发展具备50-100个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中“量子霸权”的里程碑。

2.通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题（如量子化学、新材料设计、优化算法等）。

3.通过积累在专用量子计算与模拟机的研制过程中发展起来的各种技术，提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值(>99.9%)，大幅度提高可集成的量子比特数目(百万量级)，实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。

虽然量子计算机的未来存在各种不确定性，但是此刻的中国，已经占了先机。

参考文章：

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/r4oqAY6-osinjiegiQcs8A

[2]http://news.ustc.edu.cn/info/1055/59442.htm

相关阅读：

-End-

1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。