封面新聞記者 燕磊
10月11日，中國科學技術(shù)大學發(fā)布消息，該校潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建了255個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。
國際學術(shù)期刊《物理評論快報》當天發(fā)表了這一成果。這也意味著，中國在研制量子計算機之路上又邁出重要一步。
資料圖
“量子計算優(yōu)越性”是什么？
量子計算是一種遵循量子力學規(guī)律調(diào)控量子信息單元進行計算的新型計算模式。1981年，諾貝爾獎獲得者理查德費曼提出量子計算機構(gòu)想。
研制量子計算機是當前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。為此，國際學術(shù)界制定了三步走的發(fā)展路線。其中，第一步是實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”，即通過對近百個量子比特的高精度量子調(diào)控，對特定問題的求解展現(xiàn)超級計算機無法比擬的算力，這標志著40年前費曼等人的夢想成為現(xiàn)實。
“量子計算優(yōu)越性”實驗還可用于檢驗計算科學的“擴展的丘奇圖靈論題”。同時，在此過程中，發(fā)展出可擴展的量子調(diào)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)基矗
據(jù)介紹，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，實現(xiàn)了更精確的理論與實驗的吻合；同時，發(fā)展了完備的貝葉斯驗證和關(guān)聯(lián)函數(shù)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)越性提供了進一步數(shù)據(jù)支撐。
量子計算優(yōu)越性的研究是一個復雜而富有挑戰(zhàn)性的工作，量子計算硬件與經(jīng)典算法之間存在著長期競爭。潘建偉團隊表示，期待這次突破能激發(fā)科學界更多關(guān)于經(jīng)典算法模擬的研究，解決各種科學和工程挑戰(zhàn)，加快實現(xiàn)通用型量子計算機。
實驗裝置示意圖
“九章三號”研制成功意味著什么？
“九章三號”求解高斯玻色取樣數(shù)學問題的速度，比目前全球最快的超級計算機快一億億倍。“九章”取名于中國古代數(shù)學名著《九章算術(shù)》。
2019年，美國谷歌公司研制出53個量子比特的計算機“懸鈴木”，在全球首次實現(xiàn)量子優(yōu)越性。2020年，潘建偉團隊構(gòu)建76個光子的量子計算原型機“九章”，使中國成為全球第二個實現(xiàn)量子優(yōu)越性的國家。
2021年，潘建偉團隊成功研制出113個光子的“九章二號”和66比特的“祖沖之二號”量子計算原型機，從而使中國成為在光學和超導兩條技術(shù)路線上都實現(xiàn)量子優(yōu)越性的國家。
根據(jù)公開正式發(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”提升一百萬倍。“九章三號”在百萬分之一秒時間內(nèi)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）花費超過二百億年的時間。這一成果進一步鞏固了我國在光量子計算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。
未來的通用型量子計算機有望在密碼破譯、天氣預報、材料設(shè)計等領(lǐng)域發(fā)揮作用。不過，目前的“九章三號”還只是具有潛在應(yīng)用價值的“單項冠軍”，要研制成功量子計算機還有很長的路要走。
