九章三號

概念

“九章三號”是“九章”系列的第三代光量子計算原型機(jī)，于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)銜的陸朝陽教授課題組與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作研發(fā)，能操縱255個光子。

2023年10月11日，國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》刊登了這一科研成果，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(fù)雜度的樣本，需要成果公布時最強(qiáng)的超級計算機(jī)“前沿”（Frontier）花費(fèi)超過二百億年的時間。這一研究進(jìn)一步鞏固了中國在光量子計算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。

發(fā)展歷史

2020年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊成功構(gòu)建76光子的“九章”光量子計算原型機(jī)。

2021年，中科大團(tuán)隊進(jìn)一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號”和56比特的“祖沖之二號”量子計算原型機(jī)。

2023年10月11日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，宣布成功構(gòu)建255個光子的量子計算原型機(jī)“九章三號”，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(jì)錄。

科學(xué)背景

量子計算是后摩爾時代的一種新的計算范式，它在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定量子算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟(jì)價值的問題方面相比經(jīng)典計算機(jī)實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。因而，研制量子計算機(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(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?！傲孔佑嬎銉?yōu)越性”實驗還可用于檢驗計算科學(xué)的“擴(kuò)展的丘奇—圖靈論題”。同時，在此過程中，發(fā)展出可擴(kuò)展的量子調(diào)控技術(shù)，為具備容錯能力的通用量子計算機(jī)的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2019年，美國谷歌公司和加州大學(xué)發(fā)布了53比特“懸鈴木”超導(dǎo)量子計算處理器，宣稱用200秒求解的隨機(jī)線路采樣問題需要超級計算機(jī)一萬年時間求解。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算時間從一萬年縮短到數(shù)十秒，快于“懸鈴木”量子處理器。

2020年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)銜的陸朝陽教授課題組成功構(gòu)建76光子的“九章”光量子計算原型機(jī)，首次在國際上實現(xiàn)光學(xué)體系的“量子計算優(yōu)越性”，并克服了谷歌實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。2021年，中國科大團(tuán)隊進(jìn)一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號”和56比特的“祖沖之二號”量子計算原型機(jī)，使中國成為唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩種技術(shù)路線都達(dá)到了“量子計算優(yōu)越性”的國家。

在這個“量子計算優(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，在國際上第二個實現(xiàn)了光學(xué)體系“量子計算優(yōu)越性”。

性能

“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。

技術(shù)創(chuàng)新

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)銜的陸朝陽教授課題組在理論上首次發(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(jìn)一步數(shù)據(jù)支撐。在技術(shù)上，研制了基于光纖時間延遲環(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把空間轉(zhuǎn)化為時間，實現(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)隊首次實現(xiàn)了對255個光子的操縱能力，極大地提升了光量子計算的復(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”的實現(xiàn)進(jìn)一步鞏固了中國在光量子計算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。

研發(fā)單位與經(jīng)費(fèi)

“九章三號”由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)銜的陸朝陽教授課題組與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作自主研發(fā)。主要由陸朝陽帶領(lǐng)年齡段為“90后”、“95后”的博士研究生完成，研發(fā)人員規(guī)模只有谷歌團(tuán)隊的5%。 “九章”的研發(fā)經(jīng)費(fèi)約為3000萬人民幣，而谷歌研發(fā)“懸鈴木”經(jīng)費(fèi)體量是10億美元。

重要意義

“九章三號”在百萬分之一秒時間內(nèi)所處理的最高復(fù)雜度的樣本，需要當(dāng)前最強(qiáng)的超級計算機(jī)“前沿”花費(fèi)超過二百億年的時間。這一成果進(jìn)一步鞏固了中國在光量子計算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。

“九章三號”的成果進(jìn)一步鞏固了中國在光量子計算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。研究人員表示，通用量子計算機(jī)需要操縱上千萬的量子比特，同時也要具備糾錯能力，這些都是目前九章系列量子計算原型機(jī)需要迭代實現(xiàn)的，量子技術(shù)的實用化是一場接力長跑。根據(jù)量子計算“三步走”路線圖，第二步是研制可操縱數(shù)百個量子比特的量子模擬機(jī)，解決一些超級計算機(jī)無法勝任、具有重大實用價值的問題。第三步，大幅提高量子比特的操縱精度、集成數(shù)量和容錯能力，研制可編程的通用量子計算機(jī)。研究團(tuán)隊表示，期待這次突破能激發(fā)科學(xué)界更多關(guān)于經(jīng)典算法模擬的研究，逐步解決各種科學(xué)和工程挑戰(zhàn)，加快實現(xiàn)通用型量子計算機(jī)推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。