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潘建伟团队成功构建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。 第一个实现“量子优越性”的国家是2019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。 我不是科学家，我也不研究量子方面的学问，只不过是一位中国摄像师而已，但是我为我们国家能有这样一支团队，做出了让全世界科技界专家、学者、术士们瞩目的事业而感到由衷的骄傲与自豪。可以说这种骄傲与自豪溢于言表，所以，我觉得应该大张旗鼓地宣传和鼓励。从潘建伟的身上，我们看到了中华民族的希望，看到了中华民族伟大复兴的希望，看到了中华民族自立于世界民族之林的血气and尊严！听了潘建伟的话，让无数炎黄子孙和黎民百姓为之震撼，他说：我热爱科学，更爱我的祖国。当初出国，就是为了完成自己的梦想实验研究。积累知识和技术能力后回国。他的那种艰苦奋斗、百折不挠以及爱国的精神应当得到弘扬，他的这些中华传统美德更应当成为千百万学仔们的光辉典范。 2020年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。 这一重大科技成果源于潘建伟为首的团队。 1970年3月生，浙江东阳人，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。 物理学家只相信客观世界是唯物的情况，量子感应，量子纠缠，微观世界每时每刻都存在，这个叫做量子叠加。
2016年8月16日，潘建伟担任首席科学家的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”升空。直至2017年8月，潘建伟团队在国际上实现了三个率先: 第一、率先实现了千公里级星地双向量子纠缠分发，并在此基础上实现空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验； 第二、率先实现了千公里级星地高速量子密钥分发，并通过卫星中转实现广域量子保密通信； 第三、率先实现了千公里级地星量子隐形传态，演示在空间尺度进行量子信息处理的可行性。 2020年12月4日，中国科技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。
图片1：“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。 2019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”。
图片2：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。 近期，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”（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》）。
图片3：100模式相位稳定干涉仪 光量子干涉装置集成在20 cm*20 cm的超低膨胀稳定衬底玻璃上, 用于实现50路单模压缩态间的两两干涉，并高精度地锁定任意两路光束间的相位。 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”。 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。 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）。该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，将是后续发展的重要方向。
图片4：光量子干涉示意图 《科学》杂志审稿人评价该工作是全世界一个最先进的实验。研究人员希望这个工作能够激发更多的经典算法模拟方面的工作，也预计将来会有提升的空间。量子优越性实验并不是一个一蹴而就的工作，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，但最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力。 3分20秒只是短短一瞬，6亿年早已是沧海桑田。 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。 实现“量子霸权”，中国“九章”何以后来居上？ 毕业于中科大近代物理系，在奥地利完成博士学位的潘建伟，2001年起一手搭建起了中国的量子实验室。这位中国科学技术大学的教授，中国科学院院士，时常被称为“中国量子之父”——他当之无愧。 作为量子科学研究的“泰斗”级人物，潘建伟和其团队已经在这个领域取得过多项重大成果。 潘建伟不仅自己厉害，多年以来，他还为中国培养了一大批量子科学领域的顶尖人才。其中，比较著名的就是他的80后学生陆朝阳。 今年10月，美国物理学会（APS）宣布将2021年度罗夫·兰道尔和查尔斯·本内特量子计算奖（2021 Rolf Landauer and Charles H. Bennett Award in Quantum Computing）颁给中国科学家陆朝阳，奖励其「对光量子信息科学，尤其是固态量子光源、量子隐形传态和光量子计算的突出贡献」。
1998年春节前夕，陆朝阳所在的东阳中学邀请潘建伟在当时东阳最大的电影院发表了量子物理相关的汇报演讲。这场科普报告也为陆朝阳打开了量子世界的大门。 2000年，陆朝阳从浙江东阳走出考入中科大。本科毕业后，恰好当时潘建伟从欧洲归来组建实验室，他如愿跟随恩师潘建伟从事光量子信息方面的研究工作。 此后，在老师潘建伟的指导和鼓励下，陆朝阳不断学习深造，也逐渐成为量子科学研究领域的佼佼者。 而这次在《科学》杂志上发表的论文，第一作者也是几个年轻人，钟翰森、王辉、陈明城、邓宇皓等人都是90后。 76个光子100个模式的“九章”，其算力究竟有多强？ 先来看一组数据：在室温条件下运行（除光子探测部分需4K低温），计算玻色采样问题，“九章”处理5000万个样本只需200秒，超级计算机需要6亿年；处理100亿个样本，“九章”只需10小时，超级计算机需要1200亿年——而宇宙诞生至今不过约137亿年。 由于采用超导体系，谷歌53个量子比特的“悬铃木”由于采用超导体系，必须全程在-273.12℃（30mK）的超低温环境下运行，而且在计算随机线路采样问题上，存在样本数量的漏洞：同样处理100万个样本，“悬铃木”只需200秒，的确比超级计算机的2天要快很多。可当处理100亿个样本时，“悬铃木”要花上20天，反而不如经典计算机快。
“虽然‘九章’和‘悬铃木’分别被设计用来处理不同问题，但如果都和超算比的话，‘九章’等效地比‘悬铃木’快了一百亿倍，且克服了样本数量依赖的缺陷。”陆朝阳说，由于操纵量子比特数量的大幅增加，“九章”的输出态空间（量子纠缠可能出现的状态）达到了10的30次方——如果要将这些状态全部纪录下来，目前世界上所有内存硬盘光盘全部用上也不够。而“悬铃木”的输出态空间为10的16次方，两者相差了十几个数量级，这也是导致“悬铃木”未能充分体现“量子计算优越性”的原因之一。 实际上，就在去年谷歌宣布“悬铃木”的同期，潘建伟团队已经实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，输出复杂度相当于48个量子比特的输出态空间，逼近了“量子计算优越性”。此后，团队与中科院上海微系统与信息技术研究所合作，自主研发出高性能光子探测器，实现了后来居上。 短短一年，“九章”所用的高效率100通道超导纳米线单光子探测器性能从4%提升到了98%。与此同时，陆朝阳也对原先的技术方案进行了大幅革新，最终实现了超越。 “量子霸权”就是碾压一切？ 实现“量子优越性”并非一蹴而就。“量子优越性实验并不是一个一蹴而就的工作。”在阐释“九章”的成就之前，潘建伟想先要纠正一个认识上的误区，即认为“量子霸权”就是碾压一切，谁先称霸，谁就得了天下。 实际上，在量子计算领域，国际同行公认有三个指标性的发展阶段，目前则处于“量子计算优越性”的第一阶段。在这个阶段，科学家还在努力尝试各种方法，试图更精准地操控更多数量的量子比特，从而获得更为强大的计算能力。 潘建伟说：“这是一个动态过程，所有领先都只是暂时的。”一方面经典计算机还在不断发展，另一方面量子计算更是在快速推进。只不过，经典计算机中电子只有0和1两种状态，而量子可处于叠加态，每增加一个量子比特，其计算能力就会指数级提升”。因此，“量子争霸”实际上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，但最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力，取得碾压性胜利。
量子计算机与经典计算机之差别。 无论是谷歌的“悬铃木”还是中国的“九章”，其算力都是百万、上亿倍于世界排名第一的超级计算机。超过300位的大数分解，经典计算机最快要算15万年，量子计算机一秒就完成了。 “在摩尔定律逼近极限的时代，在人们对算力需求指数级增长的时代，量子计算机必然会成为世界前沿的‘兵家必争之地’。” 潘建伟介绍：最近美国公布了量子计算领域的最新计划，英国、欧盟、日本等国家也早有相应规划，这次“九章”的成功研制，则为中国牢固确立在国际量子计算研究中的第一方阵地位奠定了技术基础。 量子计算机还能更快吗？ 未来发展有待新材料等领域创新突破，尽管“九章”的算力已快得惊人，但它只是在量子计算第一阶段树起了一座里程碑，未来的路还有很长。经典计算机从专用机发展到通用机，走过了20多年历程，现在的量子计算机就处在最早期的专用机时代。无论是谷歌的“悬铃木”还是“九章”，都只能用来解决一个特定问题。 潘建伟解释：这是因为目前可用来搭建量子计算机的材料有限，只能“就食材做菜”，全球都在朝着为数不多的几个方向努力。未来量子计算机的突破，更有可能依赖于新材料在量子计算硬件上的创新。
光量子干涉实物图 不过，哪怕量子计算只是走到今天，依然展现出了诱人的应用前景。基于“九章”的高斯玻色取样算法，有望在后续发展出图论、机器学习、量子化学等方向上的应用。 如何知晓量子计算原型机得到的结果是正确的？ 潘建伟团队通过与国家并行计算机工程技术研究中心合作，在超级计算机上对“九章”所获得的先期结果进行验证，从简单开始，直至复杂到超算难以胜任——如果少光子结果都可得到印证，那么同一个装置的多光子结果也将是可信的。就在论文登上《科学》的同时，潘建伟团队已开始向下一个里程碑进发：新的量子计算实验装置已开始在实验室搭建，性能还将进一步提升。 相关知识点索引 76个光子100模式干涉线路实现玻色取样。 取样-----是指从某个概率分布抽取样本的过程，主要目的是通过少量的关键样本来高效获取整体分布的关键信息。 波色采样-----是指从由一个高度纠缠的多光子量子态定义的概率分布取样的过程。 在“九章”量子计算原型机中，有100个光纤通道，最多同时可以有76个光子进入这些通道。这些光子由特制的量子光源发出，确保76个光子完全一模一样。在通道末端，安放有高性能光子探测器，能够准确捕获每个落下的光子。 光子在50路2米自由空间与20米光纤光程中的抖动必须控制在25纳米之内，这相当于跑过100千米的距离，误差要小于一根头发丝。 量子计算领域的三个指标性发展阶段： 第一阶段：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能为力的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。 第二阶段是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。 第三阶段是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。 |
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