今日（12月4日），中国科学家宣布成功研制出76个光子（量子比特）量子计算原型机“九章”，其处理特定问题的速度比目前最快的超级计算机快100万亿倍。这项成果意味着中国成为继美国之后全球第二个实现“量子计算优越性”的国家，是一项里程碑式的突破。
（光量子干涉实物图。图源：中国学技术大学。摄影：马潇汉，梁竞，邓宇皓）
“九章”由中国科学技术大学潘建伟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科研团队历经20余年自主研制，相关论文今日于国际学术期刊《科学》发表。据悉，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》。
200秒vs.6亿年，“九章”远胜超级计算机
以计算速度来看，“九章”求解数学算法高斯玻色取样仅需200秒，而当前世界速度最快的超级计算机“富岳”需要用6亿年。
去年9月，美国谷歌公司推出的53个量子比特计算机“悬铃木”，对量子电路的一个实例取样100万次需要200秒，快于当时世界最快的超级计算机“顶峰”2天的耗时，首次实现了“量子优越性”。
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。
（“九章”量子计算原型机光路系统原理图。图源：中国科技大学。制图：陆朝阳，彭礼超）
通常认为，50个量子比特是证明量子计算机有望超越传统计算机的关键门槛。而“九章”为76个光子（量子比特）100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机，输出量子态空间规模达到了10的30次方。
“量子优越性就像一个门槛，是指当新生的量子计算原型机，在某些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。”中科大教授陆朝阳表示，多年来国际学界高度关注、期待这一里程碑式转折点的到来；研制量子计算机也已成为世界科技前沿的最大挑战之一，成为各个国家全力角逐的焦点。
为构建这台实现“量子优越性”的量子计算原型机，研发团队主要攻克了高品质光子源、高精度锁相、规模化干涉三大技术难题。中国科学院院士、中国量子卫星首席科学家、中国科学技术大学教授潘建伟介绍打比方说：“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。”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。
量子计算机的应用前景
中科院量子信息重点实验室副主任、本源量子计算公司创始人兼首席科学家郭国平曾表示，量子计算是在信息学里的一种应用，比如信息分为采集、传输、处理，量子计算就是利用量子力学的原理或者量子态的特性，使信息处理能力得到提升的一种计算方法。利用量子态的状态进行信息的编码、信息的处理、信息的读取，这就是量子计算。
“九章”牢固确立了中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、量子化学等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。
《科学》杂志审稿人评价该工作是“一个最先进的实验”，“一个重大成就”。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。
潘建伟表示：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，希望能够通过15到20年的努力，研制出通用的量子计算机，用来解决包括密码分析、气象预报、药物设计在内的诸多领域的问题，以及用来探索物理学或者化学生物学的一些复杂问题。
（中国科学院院士、中国量子卫星首席科学家、中国科学技术大学教授。图源：潘建伟）
注：中国科学技术大学潘建伟研究团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平。2017年，该团队构建了世界首台超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机。2019年，团队进一步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，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个量子比特的希尔伯特态空间，逼近了“量子计算优越性”。
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