255個光子、比經(jīng)典計算機快1.8億倍，“九章三號”來破紀錄了！

11日，中國科學技術(shù)大學的中國科學院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊，與中國科學院上海微系統(tǒng)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。

科研人員設(shè)計了時空解復用的光子探測新方法，構(gòu)建了高保真度的準光子數(shù)可分辨探測器，提升了光子操縱水平和量子計算復雜度。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?！熬耪氯枴痹诎偃f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。

在構(gòu)建“九章”系列光量子計算原型機的基礎(chǔ)上，中國科大研究團隊揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數(shù)學聯(lián)系，完成對稠密子圖和Max-Haf兩類具有實用價值的圖論問題的求解，相比經(jīng)典計算機精確模擬的速度快1.8億倍。此外，還在國際上首次演示了無條件的多光子量子精密測量優(yōu)勢。

從76個光子，到113個光子，再到255個光子

量子計算機在原理上可通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面，獲得比經(jīng)典計算機更強的算力。早在1981年，費曼就提出了量子計算的初步想法。大規(guī)模量子計算機的物理實現(xiàn)是世界科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一。對于研制容錯的通用量子計算，因其苛刻的容錯閾值和大尺度的量子比特數(shù)目，離目前人類的科技發(fā)展水平尚有不小的差距。

因此，實現(xiàn)對于量子計算的物理實現(xiàn)，國際學術(shù)界采取三步走的路線圖。其中，第一個里程碑，在學術(shù)上被稱為“量子計算優(yōu)越性”，其含義是通過高精度地操縱近百個物理比特，用來高效地解決超級計算機都無法在合理時間內(nèi)解決的特定的高復雜度數(shù)學問題，從實驗上確鑿地證明四十年前費曼所提出來地量子計算加速設(shè)想，并駁斥“擴展丘奇—圖靈論題”。

基于光子的玻色取樣和基于超導比特的隨機線路取樣是實驗展示量子計算優(yōu)越性的兩個重要方案。潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處于國際領(lǐng)先水平。2017年，該團隊構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算原型機。2019年，團隊進一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出希爾伯特態(tài)空間維度達到1014，逼近了“量子計算優(yōu)越性”。

2020年，潘建偉團隊成功構(gòu)建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”，輸出量子態(tài)空間規(guī)模達到了1030，處理高斯玻色取樣的速度比超級計算機快一百萬億倍，同時克服了谷歌基于“懸鈴木”超導處理器的隨機線路取樣實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。

2021年，中國科學技術(shù)大學潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，發(fā)展了量子光源受激放大的理論和實驗方法，構(gòu)建了113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”，并實現(xiàn)了相位可編程功能，完成了對用于演示“量子計算優(yōu)越性”的高斯玻色取樣任務(wù)的快速求解?！熬耪露枴碧幚砀咚共Ｉ拥乃俣缺犬敃r最快的超級計算機快10的24次方倍。

光量子到底是什么？

光量子又稱為光子。這個名詞是愛因斯坦1905年在公開發(fā)表的一篇著名論文中首先提出的，由于光子學說的巨大成功，愛因斯坦獲1921年諾貝爾物理學獎。

那么，究竟什么是光量子呢？在日常生活中，光是最為人們所熟悉的東西。如果沒有光，人們簡直無法生活。但是，人們認識光的本性卻經(jīng)過了艱難而又曲折的道路。

以牛頓為代表的一種理論認為，物體發(fā)光是因為它發(fā)射出光的粒子（微粒）流，我們之所以能看到光，是由于這些粒子落到眼睛上引起了視覺。按照這個理論，人們把光的反射現(xiàn)象解釋為光的粒子在反射面上發(fā)生了彈性碰撞而造成的結(jié)果。

然而與牛頓同時代的惠更斯則認為，物體發(fā)出的光是一種波動，這種波動不同于人們通常觀察到的水波和聲波——它們都有傳播波動的介質(zhì)，水波的傳播介質(zhì)是水，聲波的傳播介質(zhì)是空氣或其他液體和固體，而光波的傳播是在真空中進行的，也就是說光波以真空為介質(zhì)。

這兩種理論一開始就發(fā)生了沖突，但由于牛頓在科學界的崇高威望，光的微粒說在很長一段時間內(nèi)占統(tǒng)治地位。直到19世紀初，楊氏、菲涅爾、夫瑯和費新發(fā)現(xiàn)的光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，與惠更斯的光的波動說十分吻合，而牛頓的光的微粒說對此卻無法做出解釋。

隨著光學儀器的發(fā)展，光學理論也有了很大的進展。麥克斯韋證明了光波是一種電磁波后，光的波動理論似乎完全被實驗所證實，光是波動的說法也為人們普遍接受。

但是，光是波動的理論在光電效應(yīng)的實驗結(jié)果面前卻一直顯得無能為力。所謂光電效應(yīng)指的是：當用光照射金屬表面時，會把電子從金屬中打出來。早在1872年，莫斯科大學的斯托列托夫就已發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象，以后德國物理學家赫茲和雷納德對此也進行了研究。當人們試圖用光的波動說去解釋光電效應(yīng)時，得出的結(jié)論是：當光的強度增大時，從金屬中被打出來的電子的速度也應(yīng)增大。而實驗結(jié)果表明，用同一頻率的光照射時，不論光的強度多大，所有觀察到的電子都具有同樣的速度，也就是說，從金屬中被打出來的電子的速度與光的強度無關(guān)！而且當光的頻率達到某個極限值時，才會在光照條件下使電子從金屬中飛出。而且，從金屬中能不能打出電子與光的頻率有關(guān)，即用紫光照射時飛出電子的速度比用紅光照射時飛出電子的速度大！于是，光是波動的說法在實驗面前陷入了困境。

愛因斯坦以創(chuàng)造性的思維完全從一個不同的角度去考察了光電效應(yīng)。他提出了光是光量子的理論。按照這個理論，光的能量是由一份一份的不連續(xù)的最小單元能量組成的，而這個單元能量大小和光的頻率正好成正比關(guān)系。光仍然像波動一樣具有頻率（或波長），但是光還具有微小“粒子”的特性——一個一個的能量單元。這樣，光無非就是一束能量流，其中最小的單元能量就稱為光量子（光子）。當光照射到金屬表面時，光就把光量子的能量傳遞給電子，光量子就消失了，而電子得到光子的能量，再加上它自身的能量就可能從金屬中飛出。由于光量子能量只與光的頻率有關(guān)，因此只有大于一定頻率的光，才能提供足夠的能量使電子從金屬中被打出來。這樣，光量子的理論就以簡潔清晰的方式解釋了光電效應(yīng)。

愛因斯坦的成功使他榮獲了諾貝爾物理學獎，但是光量子理論卻把100多年前關(guān)于光的本性的問題的討論又重新擺到人們面前，光究竟是什么？是波動還是粒子？

物理學的發(fā)展已經(jīng)使人們不得不接受這樣的說法，即光有時以波動的面目出現(xiàn)（如光的干涉和衍射），有時又以粒子的姿態(tài)出現(xiàn)（如光的人射和反射），但是光既不是如同水波、聲波那樣的波動，也不是如同微小質(zhì)點那樣的物質(zhì)粒子，光具有波動－粒子的二象性，也就是波粒二象性。

那么為什么人們看到的太陽光或其他光源發(fā)出的光總是穩(wěn)定的、連續(xù)的，而不是一份一份的呢？這是因為光量子的能量微乎其微，用數(shù)學形式表示出來就是著名的普朗克關(guān)系E=hv，h稱為普朗克常數(shù)，數(shù)值是6.62618×10-34焦 秒，雖然這個數(shù)值如此微小，但對于物理學的發(fā)展，對于人們認識光的本性的作用卻大得很呢。假設(shè)我們點亮一盞25瓦的電燈泡，并把發(fā)出的光都看成黃光，那么這束光就包含有6×1019個光量子的能量單元，或者說，這束光發(fā)出了6×1019個光量子，即每秒發(fā)出6000億億份能量單元。由于人的肉眼具有的視覺暫留特征，因此，當如此多的光量子以如此快的速度人射時，人的眼睛根本察覺不到一份一份的光量子，所看到的就是一束連續(xù)的光。

由此可見，光量子指的是能量的最小單元，它不是物質(zhì)粒子。雖然光量子的能量大小與頻率有關(guān)，但它也不是通常我們看到的波動。

總的來說，量子優(yōu)越性實驗并不是一個一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭，但最終量子并行性會產(chǎn)生經(jīng)典計算機無法企及的算力。

來源：科普中國綜合科技日報