近日，中國科學技術大學潘建偉研究團隊與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，成功構建了 76 個光子 100 個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機「九章」，其處理特定問題的速度比目前最快的超級計算機「富嶽」快了一百萬億倍，同時也等效地比谷歌去年發布的 53 比特量子計算原型機「Sycamore」快一百億倍。

量子優越性是指量子計算擁有的超越所有經典計算機的計算能力，即可以解決經典計算機不能解決的問題或比經典計算機有顯著的加速（一般是指數加速）。

為什麼量子計算機如此之快？中國科學技術大學教授陸朝陽介紹說，傳統計算機将所有數據存儲為 1 或 0，但量子計算機是利用量子力學的原理，可以允許一個物體同時處于多種狀态，比如說 0 和 1 同時存在，原理上叫做「并行計算」，很多任務可以一起完成。正是因為具有超快的并行計算能力，量子計算可望通過特定算法實現指數級别的加速。

中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉介紹說，量子優越性的實現是量子計算研究的第一個裡程碑性目标。為了實現這一目标，他們在高斯波色采樣實驗當中構建了一個量子計算的原型機，比目前最快的超算快 10 的 14 次方倍。

一直以來，高校和企業實驗室都在量子優越性方面保持競争。去年，谷歌推出 54 個量子比特的計算機「Sycamore」，宣布實現量子優越性。在世界第一超算需要計算 1 萬年的實驗中，量子計算機隻用了 3 分 20 秒。

中科大的潘建偉、陸朝陽研究團隊将 50 個全同單模壓縮态輸入 100 模式超低損耗幹涉線路，利用 100 個高效單光子探測器進行高斯玻色采樣，輸出态空間維度達到了 10 的 30 次方，采樣速率比當前最先進的超級計算機要快上 10 的 14 次方 (百萬億) 倍。

實驗結果顯示，當求解 5000 萬個樣本的高斯玻色取樣時，「九章」需 200 秒，而目前世界最快的超級計算機「富嶽」需 6 億年。等效來看，「九章」的計算速度比「Sycamore」快 100 億倍，并彌補了「Sycamore」依賴樣本數量的技術漏洞。

據了解，研究團隊的這次突破前後曆經 20 年時間，主要攻克高品質光子源、高精度鎖相、規模化幹涉三大技術難題。

對于量子計算機研究，公認有三個指标性的發展階段：

一、發展具備50-100個量子比特的高精度專用量子計算機，對于一些超級計算機無法解決的高複雜度特定問題實現高效求解，實現計算科學中“量子計算優越性”的裡程碑。

二、通過對規模化多體量子體系的精确制備、操控與探測，研制可相幹操縱數百個量子比特的量子模拟機，用于解決若幹超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題（如量子化學、新材料設計、優化算法等）。

三、通過積累在專用量子計算與模拟機的研制過程中發展起來的各種技術，提高量子比特的操縱精度使之達到能超越量子計算苛刻的容錯阈值（>99.9%），大幅度提高可集成的量子比特數目（百萬量級），實現容錯量子邏輯門，研制可編程的通用量子計算原型機。

無論中國科大的“九章”還是Google的“懸鈴木”，都是針對特定問題的專用量子計算原型機，現在不過都實現了第一步。

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