中国量子计算原型机定名“九章” 比谷歌刷屏的计算机快一百亿倍

原标题：中国量子计算原型机定名“九章” 比谷歌刷屏的九章计算机快一百亿倍

东方网12月4日消息：前段时间，不少人朋友圈被一篇谷歌量子计算机的中国文章刷屏，文中称谷歌量子计算机用200秒完成世界最强大的量计超级计算机花费1万年所需的计算量。虽然这一文章事后被证实是算原一年前的“旧闻”，但量子计算机这一概念某种程度上算是型机“出圈”了。记者今天获悉，定名中国科研团队今天高调“官宣”：中国量子计算原型机“九章”实现了具有实用前景的比谷百亿倍“高斯玻色取样”任务的快速求解，其速度比去年谷歌发布的歌刷53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。

记者从中国科学技术大学、计算机快中科院上海微系统所获悉，九章北京时间12月4日，中国国际顶尖杂志《Science》刊发了中国科学技术大学潘建伟、量计陆朝阳研究团队的算原一项重磅研究成果。该团队与中科院上海微系统所、型机国家并行计算机工程技术研究中心合作，定名构建了76个光子100个模式的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。根据现有理论该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍（“九章”一分钟完成的任务，超级计算机需要一亿年）。其速度比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性（国外也称之为“量子霸权”）。

什么是量子计算

量子计算是基于自20 世纪初起经由大量实验验证的量子力学理论。它的计算方式不同于传统计算机。在量子计算中信息以量子叠加态的形式存储，并通过量子态的演化进行计算。量子计算机可以运行以肖尔算法为代表的量子算法，量子计算机可以远远快于经典计算机。

量子计算和经典计算区别在哪里

对于经典计算机来说，每个比特要么代表0，要么代表1，这些比特就是信息，而对这些信息运算，实际上就是用电路构建一些逻辑门，完成“与”、“非”、“或”以及更复杂的操作。而量子计算，则是利用量子天然具备的叠加性，施展并行计算的能力。每个量子比特，不仅可以表示0或1，还可以表示成0和1分别乘以一个系数再叠加，随着系数的不同，它可以同时蕴含有四种信息状态。这种叠加性意味着，随着比特数增加，信息的存储量和运行速度会指数增加，经典计算机将望尘莫及。

正是因为量子计算具有超快的并行计算能力，有望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面（如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等）相比经典计算机有望实现指数级别的加速。因此具有巨大潜在价值的颠覆性的科技发展方向。

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，成为欧美各发达国家角逐的焦点。对于量子计算机的研究，国际上有三个指标性的发展阶段：

第一阶段：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。

第二阶段：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）。

第三阶段：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。

命名“九章”，纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》

“九章”量子计算原型机光路系统原理图 ：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。(制图：陆朝阳，彭礼超)

潘建伟团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平。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”。

近期，该团队通过自主研制同时具备高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源，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%的100模式干涉线路，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，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”（命名为“九章”是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》），输出量子态空间规模达到了1030。

根据目前最优的经典算法，“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，等效地比谷歌去年发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。

同时，通过高斯玻色取样证明的量子计算优越性不依赖于样本数量，克服了谷歌53比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。该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，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。此外，基于“九章号”量子计算原型机的高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。（解敏）

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