中国量子计算原型机九章问世 这意味着什么?

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12月4日，中国科学技术大学宣布，由中国科学技术大学潘建伟、卢朝阳组成的研究团队与中国科学院上海微系统研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了一个76光子的量子计算原型。

《九章》的命名是为了纪念中国古代最早的数学专著《算术九章》。

实现中国第一台量子计算的优势，粉碎谷歌的“量子霸权”

量子优势，也就是谷歌宣称的“量子霸权”，近年来在量子计算领域备受关注。《九章》的成功让中国成功到达了量子计算研究的第一个里程碑！

量子计算是指利用量子相干叠加原理，能够解决一些超越传统计算机的问题，并具有超快速并行计算和仿真能力的计算机。

光学量子计算机由三个主要部分组成:

第一部分是单光子源。在-269摄氏度的低温下，该装置通过激光激发量子点，一次产生一个高质量的单光子。第二部分是超低损耗光量子电路。单光子通过开关分成五路，通过光纤引入主设备的光量子网络。第三部分是单光子探测器，探测矩阵中的量子计算结果。

而潘建伟的实验是利用光子实现量子计算过程，大部分实验是在室温下进行的。

他们将一束定制的激光束分成13条强度相等的路径，聚焦在25个晶体上，产生25个特殊状态的量子光源。光源进入干涉仪，通过2m自由空和20m光纤(其中5m缠绕在压电陶瓷上)相互“交谈”。最终输出由100个超导纳米线单光子探测器探测，最终76个探测器探测到光子。

高斯玻色采样是一种复杂的采样计算。当问题规模超过一定值时，任何传统计算机都无法有效模拟，Bose采样就是这些具体问题之一。然而，很难实现大规模玻色采样所需的单光子源，因此人们考虑了问题的一种变体——高斯玻色，一种更有效的计算采样概率的方法，大大降低了模拟采样的成本。

按照目前最好的经典算法，“九章”处理高斯玻色采样的速度比世界第一超级计算机“福越”快100万亿倍，相当于比谷歌去年发布的53位量子计算原型“悬铃木”快100亿倍。

同时，高斯玻色采样证明的量子计算的优越性不依赖于样本数，克服了Google 53位随机电路采样实验中量子优越性依赖于样本数的漏洞。《九章》的输出量子态空的规模达到了1030(《悬铃木》的输出量子态空的规模是1016，目前世界上的存储容量是1022)。

加拿大卡尔加里大学教授、量子科学与技术研究所所长巴里·桑德斯说:

我认为这是一项杰出的工作，它改变了游戏规则。我们一直在努力证明量子信息处理可以克服经典信息处理。这个实验超出了经典计算机的能力范围。去年，谷歌取得了一项巨大的成就，那就是量子计算的优越性，但这是有争议的...这个实验(潘建伟院士团队的实验)没有争议，毫无疑问这个实验的结果远远超过了传统机器的模拟能力。

此外，基于“九章”量子计算原型的高斯玻色采样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在的应用，将是未来发展的重要方向。

《九章》背后的团队:量子优势实验不是一蹴而就的

在光量子信息处理领域，潘建伟的团队一直处于国际领先水平。

2017年，该团队建造了世界上第一台超越早期经典计算机(ENIAC)的光学量子计算原型。

2019年，团队进一步研制出世界上性能最高的确定性偏振、高纯度、高各向同性、高效率的单光子源，实现了20个光子输入60模干涉线的Bose采样。输出复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空，接近“量子计算优势”。

这一成果进一步牢固确立了中国作为国际量子计算研究第一方阵的地位，为实现未来能够解决具有重大实用价值问题的大规模量子模拟器奠定了技术基础。

如今，每个国家都想争夺科技的制高点，量子科学的应用可能是成功的关键。

值得注意的是，12月3日凌晨，国际知名学术期刊《科学》在网上发表了相关论文。

《科学》杂志的评论者将这项工作评为“最先进的实验”和“伟大的成就”。此外，美国科学院、著名大学和研究机构的许多专家高度评价了量子科学领域的最新成果。

对于这项研究，参与者陆朝阳在接受采访时表示，希望这项工作能够激发更多经典的算法模拟工作，并预测未来会有空的改进。量子优势实验不是一蹴而就的任务，而是更快的经典算法和不断改进的量子计算硬件之间的竞争，但最终量子并行会产生超越经典计算机的计算能力。

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