根據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)10月26日消息，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等人與中科院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，發(fā)展了量子光源受激放大的理論和實(shí)驗(yàn)方法，構(gòu)建了113個(gè)光子144模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號(hào)”，并實(shí)現(xiàn)了相位可編程功能，完成了對(duì)用于演示“量子計(jì)算優(yōu)越性”的高斯玻色取樣任務(wù)的快速求解。

根據(jù)現(xiàn)已正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典算法理論，“九章二號(hào)”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快10^24倍，或者說快“億億億”倍。這一成果再次刷新了國(guó)際上光量子操縱的技術(shù)水平，進(jìn)一步提供了量子計(jì)算加速的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

相關(guān)論文以“編輯推薦”的形式發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上，論文標(biāo)題為“Phase-Programmable Gaussian Boson Sampling Using Stimulated Squeezed Light”。

“在實(shí)踐中證明量子優(yōu)越性的方法是基于‘采樣問題’——其解決方案是給定概率分布的隨機(jī)實(shí)例或樣本的計(jì)算問題。如果生成這些實(shí)例對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)不可行，但對(duì)于量子計(jì)算機(jī)可行，就表示實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性?！敝孔游锢韺W(xué)家、加拿大Calgary大學(xué)教授Barry Sanders在Physics網(wǎng)站發(fā)表的評(píng)述文章表示，“九章二號(hào)”與“祖沖之二號(hào)”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相對(duì)于最先進(jìn)技術(shù)的令人印象深刻的進(jìn)步。

九章二號(hào)整體裝置圖 圖源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)

量子計(jì)算機(jī)利用量子力學(xué)現(xiàn)象（如疊加和糾纏），在原理上可通過特定算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題上，比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更強(qiáng)。

1981年，費(fèi)曼就提出量子計(jì)算的初步想法。大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)是世界科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一。對(duì)于研制容錯(cuò)的通用量子計(jì)算，因其苛刻的容錯(cuò)閾值和大規(guī)模的量子比特?cái)?shù)目，離目前人類的科技發(fā)展水平尚有不小的差距。

因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)于量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)，國(guó)際學(xué)術(shù)界采取三步走的路線圖。

第一個(gè)里程碑叫做“量子計(jì)算優(yōu)越性”，其含義是利用量子處理器高效地解決超級(jí)計(jì)算機(jī)都無法在合理時(shí)間內(nèi)解決的特定的高復(fù)雜度數(shù)學(xué)問題，從實(shí)驗(yàn)上確鑿地證明四十年前費(fèi)曼所提出來地量子計(jì)算加速設(shè)想。一般認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性需要操控50以上的物理比特。

第二步是制成實(shí)用量子模擬機(jī)，需要相干操縱數(shù)百到數(shù)千量子比特；第三步，制成通用量子計(jì)算機(jī)，需要相干操縱數(shù)百萬至數(shù)千萬個(gè)量子比特。

基于光子的玻色取樣和基于超導(dǎo)比特的隨機(jī)線路取樣是實(shí)驗(yàn)展示量子計(jì)算優(yōu)越性的兩個(gè)重要方案。潘建偉團(tuán)隊(duì)一直在光量子信息處理方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

2017年，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算原型機(jī)。2019年，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國(guó)際最高性能單光子源，實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出希爾伯特態(tài)空間維度達(dá)到1014，逼近了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

2020年，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了76個(gè)光子100個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)到了1030，處理高斯玻色取樣的速度比超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍，同時(shí)克服了谷歌基于“懸鈴木”超導(dǎo)處理器的隨機(jī)線路取樣實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞?！熬耪隆睂?shí)驗(yàn)完成后，在理論提出玻色取樣算法和證明計(jì)算復(fù)雜度的Scott Aaronson教授隨后獲得了由國(guó)際計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)頒發(fā)的ACM Prize in Computing。

a表示輸出態(tài)空間的維度。b表示光量子計(jì)算原型機(jī)相比超算的優(yōu)勢(shì)倍數(shù)。 圖源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)

2021年，團(tuán)隊(duì)在“九章”的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一系列概念和技術(shù)創(chuàng)新。受到激光——“受激輻射光放大”概念的啟發(fā)，研究人員設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了受激雙模量子壓縮光源，顯著提高了量子光源的產(chǎn)率、品質(zhì)和收集效率。其次，通過三維集成和收集光路的緊湊設(shè)計(jì)，多光子量子干涉線路增加到了144維度。由此，“九章二號(hào)”探測(cè)到的光子數(shù)增加到了113個(gè)，輸出態(tài)空間維度達(dá)到了1043。進(jìn)一步，通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)壓縮光的相位，研究人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)高斯玻色取樣矩陣的重新配置，演示了“九章二號(hào)”可用于求解不同參數(shù)數(shù)學(xué)問題的編程能力。

根據(jù)目前已正式發(fā)表的最優(yōu)化經(jīng)典算法，“九章二號(hào)”在高斯玻色取樣這個(gè)問題上的處理速度比最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快10^24倍。