[video:20211026【朝聞天下】我國(guó)量子計(jì)算優(yōu)越性研究取得重要進(jìn)展]
　　中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽(yáng)、劉乃樂(lè)等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、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1024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)論文于10月26日以“編輯推薦”的形式發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。著名量子物理學(xué)家、加拿大卡爾加里大學(xué)教授Barry Sanders同時(shí)受邀在Physics網(wǎng)站上謄寫長(zhǎng)篇評(píng)述文章，稱贊該工作是“令人激動(dòng)的實(shí)驗(yàn)杰作”（dramatic tour de force.....），“令人印象深刻的最前沿的進(jìn)步”（an impressive advance over the state-of-the-art）。 
　　量子計(jì)算機(jī)在原理上可通過(guò)特定算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問(wèn)題方面，獲得比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更強(qiáng)的算力。早在1981年，費(fèi)曼就提出了量子計(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。其中，第一個(gè)里程碑，在學(xué)術(shù)上被稱為“量子計(jì)算優(yōu)越性”，其含義是通過(guò)高精度地操縱近百個(gè)物理比特，用來(lái)高效地解決超級(jí)計(jì)算機(jī)都無(wú)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(wèn)題，從實(shí)驗(yàn)上確鑿地證明四十年前費(fèi)曼所提出來(lái)地量子計(jì)算加速設(shè)想，并挑戰(zhàn)“擴(kuò)展的丘奇—圖靈論題”。
　　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(wàn)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。
　　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(guò)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)一步地，通過(guò)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(wèn)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(wèn)題上的處理速度比最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快億億億倍。
　　研究人員希望這個(gè)工作能夠繼續(xù)激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作，也預(yù)計(jì)將來(lái)會(huì)有提升的空間。量子優(yōu)越性研究并不是一個(gè)一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計(jì)算硬件之間的競(jìng)爭(zhēng)，但最終量子并行性會(huì)產(chǎn)生經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法企及的算力。
　　研究工作得到安徽省、上海市、科技部、中科院和國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的支持。
　　論文鏈接 
　　美國(guó)物理學(xué)會(huì)Physics網(wǎng)站專家點(diǎn)評(píng) 
　　圖1.九章二號(hào)整體裝置圖（制圖：陸朝陽(yáng)，彭禮超）
　　 
　　圖2.九章二號(hào)144模式干涉儀（部分）實(shí)驗(yàn)照片（攝影：馬瀟漢，楊建瑞，李豐，鄧宇皓）
　　 
　　圖3.論文數(shù)據(jù)圖。a圖表示輸出態(tài)空間的維度。b圖表示光量子計(jì)算原型機(jī)相比超算的優(yōu)勢(shì)倍數(shù)