潘建偉團隊研製“九章三號”光量子計算原型機，再次刷新世界紀錄

10 月 11 日，中國科學技術大學中國科學院量子信息與量子科技創新研究院教授、教授研究團隊與中國科學院上海微系統與信息技術研究所、國家並行計算機工程技術研究中心合作，成功構建 255 個光子的量子計算原型機“九章三號”。

這一突破性的工作再度刷新光量子信息技術世界紀錄，在研製量子計算機的道路上邁出堅實一步。 根據論文中所提及的最優算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣數學問題的速度相比於上一代“九章二號”提升了一百萬倍，比最強的超級計算機“前沿”快一億億倍。

近日，相關論文以《利用準光子數分辨探測器的高斯玻色子採樣和量子計算優勢》（）爲題發表於 Physical Review Letters[1]。

論文共同第一作者爲中國科學技術大學 Yu-Hao Deng、Yi-Chao Gu、Hua-Liang Liu、Si-Qiu Gong、Hao Su，共同通訊作 者爲 教授、 教授。

（來源：見水印）

傳統通用計算機的理論模型是通用圖靈機，而通用量子計算機的理論模型則是用量子力學規律重新詮釋的通用圖靈機。

一般來說，量子計算機和傳統計算機能解決的問題並沒有本質差異。但是，由於量子力學疊加性的存在，量子計算機具備並行計算能力，通過特定的算法可以極大的提升計算效率，實現指數級別的計算加速，從而解決一些傳統計算機無法解決的、需要進行超大量計算的複雜問題，如核聚變反應堆的模擬。

因此，量子計算機一直以來都被寄予厚望，世界各國都投入了大量人力、物力進行研究，國際學術界也爲此制定了“三步走”的發展路線，即驗證量子計算的優越性、在噪聲環境下的中等規模量子計算，以及可以通用化的量子計算。

圖丨研發量子計算機的“三步走”戰略：青色區域代表下一步的 NISQ，灰色區域代表第三步的容錯量子計算（來源：Towards Data Science）

在研發量子計算機的“三步走”戰略中，目前已完成第一步，即驗證量子計算的優越性。研究人員利用近百個量子比特的高精度量子調控，然後求解特定的複雜問題，效率遠超傳統超級計算機。同時，他們也發展了可擴展的量子調控技術，這爲未來研發具備容錯能力的通用量子計算機奠定了基礎。

量子計算優越性研究是一個非常重要的研究領域，一方面該研究可能能激發更多關於經典算法模擬的研究，另一方面也有可能幫助解決量子計算研究中的技術難題。

2019 年，的量子人工智能研究團隊研製出了通過 53 個超導量子比特進行計算的量子計算機，其具備非常強悍的運算能力。在針對某個特定複雜計算任務的求解上，該超導量子計算機只需要 200 秒就可以成功完成任務，遠超當年的傳統超級計算機，這些計算機需要一萬年時間才能解決這些問題，這項研究證明了量子計算具有獨特的優勢。

圖丨谷歌公司研製的超導量子計算機（來源：）

2020 年，中國科學技術大學團隊成功構建了基於 76 光子的“九章”光量子計算原型機，驗證了光學體系的“量子計算優越性”，這是世界首次，同時成功解決了團隊實驗中量子優越性依賴於樣本數量的問題。

2021 年，中國科學技術大學團隊進一步成功研製了基於 113 光子的可相位編程的“九章二號”和基於 56 比特的“祖沖之二號”量子計算原型機，使中國成爲唯一在光學和超導兩種技術路線都實現了“量子計算優越性”的國家。

2023 年 2 月，研究團隊將超導量子計算系統擴展到 72 個量子比特，且證明了量子糾錯方案的可行性。

2023 年 3 月，南方科技大學、清華大學和福州大學的聯合團隊通過利用實時重複的量子糾錯技術，在國際上首次降低了量子比特的錯誤率，從而延長了量子比特的存儲時間，相關論文以《以一個離散變量編碼的邏輯量子比特來打破平衡點》（）爲題發表在 Nature 上[2]，這是中國團隊在基於超導量子計算的量子糾錯領域取得突破性進展的工作。

中國科學技術大學研究團隊通過設計時空解複用的光子探測新方法，成功構建了高保真度的準光子數可分辨探測器，首次實現了對 255 個光子的操縱能力，大幅度提升了光量子計算的複雜度。

在構建“九章”系列光量子計算原型機的基礎上，研究團隊還揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數學聯繫，完成對稠密子圖等兩類具有實用價值的圖論問題的求解，相比經典計算機精確模擬的速度快 1.8 億倍。另外，他們還第一次演示了無條件的多光子量子精密測量優勢。

圖丨實驗裝置圖（來源：Physical Review Letters）

在實現“三步走”戰略中的第一步之後，研究人員正致力於實現第二步，即實現在噪聲環境下的中等規模量子計算。量子計算機在實際運算過程中，可能會被因外界環境“噪聲”而使運算結果出錯。因此，爲了降低噪聲環境下量子計算的錯誤率，就需要進行量子糾錯，目前研究人員正按照“三步走”戰略繼續穩步前行。

其最終目標是實現通用化的量子計算，這也是量子計算領域的聖盃。未來，量子計算機將不僅可以用於計算複雜數學問題，還可以用於藥物輔助開發、核聚變反應過程模擬等諸多領域，創造巨大的經濟價值。它有望開啓一個全新的“新信息時代”，改變我們處理信息的方式。

參考資料：

1.Yu-Hao Deng et al. Physical Review Letters 131, 150601（2023）.https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.150601 2.Ni, Z., Li, S., Deng, X. et al. Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit. Nature 616, 56–60 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05784-4

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