中國科大實(shí)現(xiàn)“九章三號”光量子計(jì)算原型機(jī)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)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(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建了255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號”，再度刷新了光量子信息的技術(shù)水平和量子計(jì)算優(yōu)越性的世界紀(jì)錄?？蒲腥藛T設(shè)計(jì)了時(shí)空解復(fù)用的光子探測新方法，構(gòu)建了高保真度的準(zhǔn)光子數(shù)可分辨探測器，提升了光子操縱水平和量子計(jì)算復(fù)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(shí)間內(nèi)所處理的最高復(fù)雜度的樣本，需要當(dāng)前最強(qiáng)的超級計(jì)算機(jī)“前沿”（Frontier）花費(fèi)超過二百億年的時(shí)間。這一成果進(jìn)一步鞏固了我國在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。

圖1：實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

量子計(jì)算是后摩爾時(shí)代的一種新的計(jì)算范式，它在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，可望通過特定量子算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級別的加速。因而，研制量子計(jì)算機(jī)是當(dāng)前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。

為此，國際學(xué)術(shù)界制定了三步走的發(fā)展路線。其中，第一步是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，即通過對近百個(gè)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(jì)算機(jī)無法比擬的算力，這標(biāo)志著40年前 Feynman等人的夢想成為現(xiàn)實(shí)?！傲孔佑?jì)算優(yōu)越性”實(shí)驗(yàn)還可用于檢驗(yàn)計(jì)算科學(xué)的“擴(kuò)展的丘奇—圖靈論題”。同時(shí)，在此過程中，發(fā)展出可擴(kuò)展的量子調(diào)控技術(shù)，為具備容錯(cuò)能力的通用量子計(jì)算機(jī)的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2019年，美國谷歌和加州大學(xué)發(fā)布了53比特“懸鈴木”超導(dǎo)量子計(jì)算處理器，宣稱用200秒求解的隨機(jī)線路采樣問題需要超級計(jì)算機(jī)一萬年時(shí)間求解。然而，這一宣稱隨后受到了中國科學(xué)家的挑戰(zhàn)，改進(jìn)后的經(jīng)典算法使得超算上的計(jì)算時(shí)間從一萬年縮短到數(shù)十秒，快于“懸鈴木”量子處理器。

2020年，中國科大團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建76光子的“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)[Science 370, 1460 (2020)]，首次在國際上實(shí)現(xiàn)光學(xué)體系的“量子計(jì)算優(yōu)越性”，并克服了谷歌實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。2021年，中國科大團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號”[PRL 127, 180502 (2021)]和56比特的“祖沖之二號”量子計(jì)算原型機(jī)[PRL 127, 180501 (2021)]，使我國成為唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩種技術(shù)路線都達(dá)到了“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國家。

在這個(gè)“量子計(jì)算優(yōu)越性”戰(zhàn)略高地，國際競爭呈現(xiàn)出白熱化。位于加拿大多倫多的Xanadu公司與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院合作，采用與“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)相同的高斯玻色取樣路線，在2022年發(fā)布了216光子的“北極光”量子處理器，在國際上第二個(gè)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)體系“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

圖2：光量子計(jì)算的國際競爭態(tài)勢

中國科大團(tuán)隊(duì)在理論上首次發(fā)展了包含光子全同性的新理論模型，實(shí)現(xiàn)了更精確的理論與實(shí)驗(yàn)的吻合；同時(shí)，發(fā)展了完備的貝葉斯驗(yàn)證和關(guān)聯(lián)函數(shù)驗(yàn)證，全面排除了所有已知的經(jīng)典仿冒算法，為量子計(jì)算優(yōu)越性提供了進(jìn)一步數(shù)據(jù)支撐。在技術(shù)上，研制了基于光纖時(shí)間延遲環(huán)的超導(dǎo)納米線探測器，把多光子態(tài)分束到不同空間模式并通過延時(shí)把空間轉(zhuǎn)化為時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)光子數(shù)可分辨的探測系統(tǒng)。這一系列創(chuàng)新使得研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了對255個(gè)光子的操縱能力，極大地提升了光量子計(jì)算的復(fù)雜度，處理高斯玻色取樣的速度比“九章二號”提升了一百萬倍。在激烈的國際競爭角逐中，“九章三號”的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步鞏固了我國在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。

進(jìn)一步，在構(gòu)建“九章”系列光量子計(jì)算原型機(jī)的基礎(chǔ)上，中國科大研究團(tuán)隊(duì)揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系，完成對稠密子圖和Max-Haf兩類具有實(shí)用價(jià)值的圖論問題的求解，相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)精確模擬的速度快1.8億倍[PRL 130, 190601 (2023)]。此外，又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[PRL 130, 070801(2023)]。

圖3：九章三號的計(jì)算復(fù)雜度需要花費(fèi)超級計(jì)算機(jī)的時(shí)間。

量子計(jì)算優(yōu)越性的研究是一個(gè)復(fù)雜而富有挑戰(zhàn)性的工作，量子計(jì)算硬件與經(jīng)典算法之間存在著長期競爭。研究人員期待這項(xiàng)工作一方面能夠激發(fā)更多關(guān)于經(jīng)典算法模擬的研究工作，另一方面有助于逐步解決量子計(jì)算研究中的各種科學(xué)和工程挑戰(zhàn)。