世界最强！中国首次发布量子计算机原型，比最强超级计算机快100万亿倍 

                                                            2020-12-15   青野云麓

2020-12-14 来源：QbitAI

「比全球最快的超级计算机快一百万亿倍！」

「超越了谷歌量子计算优越性！」

「是里程碑式突破！」

……

今天，潘建伟团队所构建的「76个光子的量子计算原型机」一经问世，便引起了业界巨大的反响。

并且，在线发表在了国际学术期刊Science。

这台量子计算原型机，名曰 「九章」，取自我国古代最早的数学著作《九章算术》，其计算速度直接问鼎 全球最快。

这一里程碑式重大突破，是我国 首次，也是全球第二个实现「量子优越性」的国家。

正如潘建伟表示：

这一成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位。

「九章」，问鼎世界第一

「九章」的速度有多快？

以玻色子采样 （boson sampling）问题为例，便可知其一二。

由于玻色子采样装置输出配置的概率分布，和NP-Hard问题有关，所以很难在经典计算机中模拟。

因此，它被认为是可以证明量子优越性的问题之一。

在这次研究中，潘建伟团队进行的实验便是求解 高斯玻色子采样。其结果如下：

比目前全球最快的超级计算机 （富岳），快出了 一百万亿倍。

比谷歌去年推出的53 个超导比特量子计算原型机「悬铃木」，快 一百亿倍。

△「富岳」超级计算机

具体而言，在 5000万个样本情况下，「九章」在处理这个问题时，仅用了 200秒。

若是换做「富岳」，需要的时长是非常惊人的，长达 6亿年之久。

而即便是全年轰动一时的谷歌「悬铃木」，在处理这个问题的时候，也要比「九章」慢得多。

△「悬铃木」量子计算原型机

此外，根据另一组对比数据，也能从侧面反映出「九章」之快。

去年「悬铃木」在求解随机线路采样问题时，所需的时间也为200秒，但一是解决问题不同，二是样本数量仅为100万。

而用当时最快的超级计算机「Summit」来计算，需要2天的时间。

不难看出，这与「九章」和超级计算机的差距，不是在一个量级。

△「Summit」超级计算机

同样作为量子计算原型机，「九章」与「悬铃木」相比：

•在室温下环境下即可运行。

•弥补了依赖样本数量的技术漏洞。

那么，「九章」具体是如何做到如此强悍的量子优越性的呢？

「九章」成功的关键

整体来看，潘建伟团队此次成功构建的「九章」，是 自主研制的76个光子 100 个模式的高斯玻色取样量子计算原型机。

量子光源方面，同时具备高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力。

100模式干涉线路方面，同时满足相位稳定、全连通随机矩阵、波包重合度优于 99.5%、通过率优于 98% 。

还具备相对光程 10-9 以内的锁相精度，高效率 100 通道 超导纳米线单光子探测器。

根据根据中国科学技术大学官网介绍，下图便是「九章」的光路系统原理图。

•左上方激光系统产生高峰值功率飞秒脉冲。

•左方25个光源通过参量下转换过程，产生50路单模压缩态输入到右方100模式光量子干涉网络。

•最后利用100个高效率超导单光子探测器对干涉仪输出光量子态进行探测。

下图则是光量子干涉装置，集成在20 cm x 20 cm的超低膨胀稳定衬底玻璃上。

这个装置是用来实现50路单模压缩态间的两两干涉，并高精度地锁定任意两路光束间的相位。

下图是光量子干涉的实物图。

图中左下方为输入光学部分，右下方为锁相光路，上方共输出100个光学模式，分别通过低损耗单模光纤与100超导单光子探测器连接。

对于如此的研究工作，Science审稿人给出了这样的评价：

一个最先进的实验 （a state-of-the-art experiment）。

一个重大成就 （a major achievement）。

潘建伟团队出品

潘建伟是中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长，对推动中国量子计算的发展贡献了非常大的力量。

其团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平。

据中国科学技术大学官网介绍，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」。

除此之外，中国科学技术大学介绍，对于量子计算机的研究，本领域的国际同行公认有三个指标性的发展阶段：

•发展具备50-100个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中「量子计算优越性」的里程碑。

•通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题 （如量子化学、新材料设计、优化算法等） 。

•通过积累在专用量子计算与模拟机的研制过程中发展起来的各种技术，提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值 （>99.9%） ，大幅度提高可集成的量子比特数目 （百万量级） ，实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。

而这次潘建伟团队的重大突破， 牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位。

德国马普学会量子光学研究所所长、沃尔夫奖得主 Ignacio Cirac认为：

这是量子科技领域的一个重大突破，朝着研制相比经典计算机具有量子优势的量子设备，迈出一大步。

美国国家科学院院士、沃尔夫奖得主 Peter Zoller表示：

该实验无论是在量子系统大小和扩展性方面，还是在实际应用前景方面，都把研究水平提升到了一个新的高度。

最后，此次科研团队的研究者们认为：

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。

中国量子计算原型机“九章”问世 问鼎全球最快计算机

2020-12-05   央广网官方帐号

央广网北京12月5日消息（记者王利）据中央广播电视总台中国之声《新闻纵横》报道，科幻作家刘慈欣的小说《镜子》中有一台超弦计算机，这台计算机拥有几乎无限运算和存储能力。科幻故事有一天会成真吗？也许量子计算机能给出答案。

最近，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与合作者成功构建了76个光子的量子计算原型机“九章”。根据现有理论，在经典数学算法“高斯玻色取样”任务中，“九章”一分钟完成的任务，超级计算机需要一亿年。

量子计算机的速度有多快？曾有人打过一个比方，如果现在传统计算机的速度是自行车，那么量子计算机的速度就好比飞机。陆朝阳介绍，由于量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，因此量子计算机的速度可以轻松“秒杀”传统经典计算机。“量子计算机是利用量子力学的原理，量子力学可以允许一个物体同时处于多种状态，比如0和1同时存在，它可以做并行计算，就是很多个任务可以一起完成，因此它就有了超越经典计算机的计算能力。”

目前我们常用的经典计算机，在提取某个需要解决的问题时，需要把所有可能性列举并验证一遍，才能“找到”正确的信息，而量子计算机则可望通过特定算法实现指数级别的加速。

当前，研制量子计算机已成为世界科技前沿的最大挑战之一。经过二十多年研究攻关，潘建伟团队成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”。陆朝阳介绍：“它采取了由76个光子输出，然后在100×100的目前世界上最大尺度的干涉仪里进行干涉，干涉的过程其实也是我们完成计算的过程。”

据了解，量子计算研究的第一个阶段性目标，就是实现“量子优越性”，即作为新生事物的量子计算机，一旦在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明了量子计算机的优越性，跨过了未来多方面超越传统计算机的门槛。潘建伟表示：“我们在高斯玻色的采样实验中构建了一个量子计算的原型机，可以比目前最快的超算能够快10的14次方倍，相当于这里算一分钟的东西，用‘富岳号’算要算一亿年才能算完，这就叫做量子优越性。”

潘建伟说，“九章号”量子计算原型机确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现规模化量子模拟机奠定了技术基础。“‘九章号’展示了量子计算的强大算力，我们计划把它初步用于量子化学的一些研究、图论里面一些组合数学方面的研究，甚至也可以用于一些机器学习的研究，我们可以用它做一些有效的、有益的探索。”

对于“九章”的突破，《科学》杂志审稿人评价，这是“一个最先进的实验”“一个重大成就”。多位国际知名专家也给予高度评价。德国马普所所长、沃尔夫奖得主伊格纳西奥•西拉克说：“总体来说，这是量子科技领域的一个重大突破，朝着研制相比经典计算机具有量子优势的量子设备迈出了一大步。我相信这项成果背后付出了巨大的技术努力。潘教授的团队在世界上是独一无二的，他们产生了包括这个实验在内的很多重大成果。”

据介绍，之所以取名“九章”，是为了纪念中国古代著名数学专著《九章算术》。潘建伟说，目前，“九章”还处于量子计算机的发展第一阶段，“量子优越性”实验并非一蹴而就的工作，在“九章”量子原型机的基础上，研究团队将通过一系列技术攻关，力争尽早研制出通用量子计算机。“希望通过15年到20年的努力，能够研制出通用的量子计算机，这样它就可以解决很多非常广泛的问题，比如密码分析、气象预报、药物设计，然后来探索物理学、化学、生物学里面的一些复杂问题。”潘建伟说。

洞见丨神秘量子里的中国先机

2020-12-07来源：央视新闻

　量子，微观世界的神秘存在，它是不可分割的最小单位，可以“纠缠”，可以“叠加”，特性怪异而奇特。它有着与人们熟知的世界截然不同的物理规则，奥妙万千，充满未知。

　　从互联网、智能手机到卫星定位导航、核磁共振，几乎所有今天新诞生的技术都与之有关。

　　在未来，它还将帮助人类实现信息传送的绝对安全，把测量精度从目前的微米量级进一步精细千倍、万倍，而传统计算机需要数万年才能破解的复杂密码，对它来说，只需要短短几秒钟的时间。

　　习近平总书记曾指出，量子力学是人类探究微观世界的重大成果。量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。

　　今天，中国已经成为全球“第二次量子革命”的重要推动者和引领者。一系列重大突破目不暇接， “弯道超车”的中国成为整个世界的焦点。

　　为了充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋，2020年10月，习近平亲自主持中共中央政治局集体学习，专题研究当前国内外量子科技的发展态势。针对中国量子科技如何抢占国际竞争制高点、构筑发展新优势，习近平提出了一系列非常具体的部署。其中包括，要找准切入点和突破口，加强顶层设计和前瞻布局，健全政策支持体系，保证资金投入，加快基础研究突破和关键核心技术攻关，培养造就高水平人才队伍……

　　谈“微观世界”，抓“关键变量”。从实地考察到专项学习，从顶层设计到政策支持，在习近平的高度关注和积极推动下，目前，我国大批量子科技领域实验项目正在加紧研究攻关。在由习近平指挥谋划的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》中，更明确提出，未来五年，中国在包括量子信息在内的八大前沿领域，将实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。

　　推动科技自立自强，坚持创新驱动发展。为全面塑造发展新优势，今日中国正以前所未有的勇气和魄力去实现更多科技创新“从0到1”的突破。一个更美好的未来，即将到来。

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