比最快超算快一亿亿倍！ “九章三号”光量子计算原型机再度刷新记录

2020年12月，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等学者与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建76光子的“九章”光量子计算原型机，论文发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上。“九章”的命名是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。

2021年，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功研制113光子144 模式的可相位编程“九章二号” ，成果刊登在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。这一突破使我国成为全球第二个（第一个为谷歌的 Sycamore ）实现“量子优越性”的国家。

“九章三号”再创纪录

在两年后，他们再次宣布已成功构建量子计算原型机“九章三号”，计算速度比目前全球最快的超级计算机快一亿亿倍。

央视新闻、新华社等多家媒体报道了这一令人兴奋的消息

10月11日据中科大官网报道，中国科学技术大学中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队与中国科学院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章三号”，再度刷新了光量子信息的技术水平和量子计算优越性的世界纪录。

科研人员设计了时空解复用的光子探测新方法，构建了高保真度的准光子数可分辨探测器，提升了光子操纵水平和量子计算复杂度。根据公开正式发表的最优经典精确采样算法，“九章三号”处理高斯玻色取样的速度比上一代“九章二号”提升一百万倍。“九章三号”在百万分之一秒时间内所处理的最高复杂度的样本，需要当前最强的超级计算机“前沿”（Frontier）花费超过二百亿年的时间。这一成果进一步巩固了我国在光量子计算领域的国际领先地位。

实验装置示意图（图自：中科大）

如果没有他们，“九章三号”还要晚一年出来

在“九章三号”的研发过程中，还有一个小插曲。

2021年11月24日，中国科技大学合肥微尺度物质科学国家研究中心发布的一则《关于对理化大楼06-004实验室漏水进行及时处置的相关人员进行奖励的通报》显示，量子计算机“九章”实验室发生漏水，5名学生及时处置本次险情，避免了至少2400万元财产损失和可能造成的“九章三号”的研发延误。

通报提及，凌晨两点去01-004实验室调试程序的钟翰森同学首先发现漏水，他立即召集隔壁实验室的博士后吴典和覃俭、邓宇浩、彭礼超等同学一起积极引水，并及时通知物业踹开06-004室房门，关闭了水阀。

通报指出，由于及时发现并紧急处置，实验室漏水被第一时间有效导流至他处并收集，除造成01-004实验室一台台式电脑损坏外，未造成其他损失。为此，合肥微尺度物质科学国家研究中心研究决定，给予5名学生共计税后12万元的奖励。

这五名学生名为吴典、覃俭、邓宇浩、彭礼超和钟翰森，关注量子计算领域的人看到这几个名字应该很熟悉。去年登上Sicence的中国量子研究，「Quantum computational advantage using photons」的作者，以及“九章”和“九章二号”成果论文作者名单，都包含这五位。

巧合的是，合肥微尺度物质科学国家研究中心当时刚被美方列入“实体清单”，而获发奖金的五子均有参与“九章”论文写作，勇救“九章”行动成为佳话。如果当时漏水事件未得到及时处置，会延误“九章三号”实验一年以上。

这张通报，再次让我们感受到“九章”的重要性。据中国科学技术大学官微介绍，量子计算机的研制是世界各国角逐的焦点，而“九章”光量子计算原型机确立了中国在国际量子计算研究中的第一方阵地位。尽管距离实际应用仍有漫漫长路，但成功实现了“量子计算优越性”的里程碑式突破。

光量子计算的国际竞争态势

量子计算是后摩尔时代的一种新的计算范式，它在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定量子算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面相比经典计算机实现指数级别的加速。因而，研制量子计算机是当前世界科技前沿的最大挑战之一。

为此，国际学术界制定了三步走的发展路线。其中，第一步是实现“量子计算优越性”，即通过对近百个量子比特的高精度量子调控，对特定问题的求解展现超级计算机无法比拟的算力，这标志着40年前 Feynman等人的梦想成为现实。“量子计算优越性”实验还可用于检验计算科学的“扩展的丘奇—图灵论题”。同时，在此过程中，发展出可扩展的量子调控技术，为具备容错能力的通用量子计算机的研制提供技术基础。

2019年，美国谷歌和加州大学发布了53比特“悬铃木”超导量子计算处理器，宣称用200秒求解的随机线路采样问题需要超级计算机一万年时间求解。然而，这一宣称随后受到了中国科学家的挑战，改进后的经典算法使得超算上的计算时间从一万年缩短到数十秒，快于“悬铃木”量子处理器。

光量子计算的国际竞争态势（图自：央视新闻）

据介绍，玻色取样是用来展示量子计算优越性的特定任务中的一项，大致可以理解为：“一个光路有很多个出口，问每一个出口有多少光出去。”“九章”跟“悬铃木”的区别，一是处理的问题不同，二是用来造量子计算机的物理体系不同。“九章”用的是光学，“悬铃木”用的是超导。技术路线不同，“九章”在同样的赛道上比“悬铃木”快一百亿倍，这就是等效速度，牢固确立了中国在国际量子计算研究中“第一方阵”地位。

唯一在光学和超导上都达到“量子优越性”的国家

2020年，中国科大团队成功构建76光子的“九章”光量子计算原型机[Science 370, 1460 (2020)]，首次在国际上实现光学体系的“量子计算优越性”，并克服了谷歌实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。2021年，中国科大团队进一步成功研制了113光子的可相位编程的“九章二号”[PRL 127, 180502 (2021)]和56比特的“祖冲之二号”量子计算原型机[PRL 127, 180501 (2021)]，使我国成为唯一在光学和超导两种技术路线都达到了“量子计算优越性”的国家。

在这个“量子计算优越性”战略高地，国际竞争呈现出白热化。位于加拿大多伦多的Xanadu公司与美国国家标准与技术研究院合作，采用与“九章”光量子计算原型机相同的高斯玻色取样路线，在2022年发布了216光子的“北极光”量子处理器，在国际上第二个实现了光学体系“量子计算优越性”。

光量子计算的国际竞争态势（图自：中科大）

中国科大团队在理论上首次发展了包含光子全同性的新理论模型，实现了更精确的理论与实验的吻合；同时，发展了完备的贝叶斯验证和关联函数验证，全面排除了所有已知的经典仿冒算法，为量子计算优越性提供了进一步数据支撑。在技术上，研制了基于光纤时间延迟环的超导纳米线探测器，把多光子态分束到不同空间模式并通过延时把空间转化为时间，实现了准光子数可分辨的探测系统。

这一系列创新使得研究团队首次实现了对255个光子的操纵能力，极大地提升了光量子计算的复杂度，处理高斯玻色取样的速度比“九章二号”提升了一百万倍。在激烈的国际竞争角逐中，“九章三号”的实现进一步巩固了我国在光量子计算领域的国际领先地位。

进一步，在构建“九章”系列光量子计算原型机的基础上，中国科大研究团队揭示了高斯玻色取样和图论之间的数学联系，完成对稠密子图和Max-Haf两类具有实用价值的图论问题的求解，相比经典计算机精确模拟的速度快1.8亿倍[PRL 130, 190601 (2023)]。此外，又在国际上首次演示了无条件的多光子量子精密测量优势[PRL 130, 070801(2023)]。

九章三号的计算复杂度需要花费超级计算机的时间。1微秒可算出的最复杂样本，当前全球最快的超级计算机“前沿”（Frontier）约需200亿年。（图自：中科大）

量子计算优越性的研究是一个复杂而富有挑战性的工作，量子计算硬件与经典算法之间存在着长期竞争。研究人员期待这项工作一方面能够激发更多关于经典算法模拟的研究工作，另一方面有助于逐步解决量子计算研究中的各种科学和工程挑战。

上述项目受到了安徽省、上海市、科技部、中国科学院和基金委的支持。

国际知名学术期刊《物理评论快报》发表该成果。论文链接：https://journals.aps.org/prl/issues/131/15

本文内容参考自中国科技大学科研部、央视新闻、新华社、金融界、中国青年报、IT之家、快科技报道