“祖沖之2.0”“九章2.0”問世 我國在兩種物理體系實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性

10月25日，著名物理學(xué)期刊《物理評論快報》同時發(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的兩篇論文，文章表明，隨著66比特的可編程超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之二號”(也稱“祖沖之2.0”)的研制成功和113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”(也稱“九章2.0”)的構(gòu)建，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團隊在超導(dǎo)量子和光量子兩種系統(tǒng)的量子計算方面取得重要進展，這也意味著我國成為目前世界上唯一在兩種物理體系達到量子計算優(yōu)越性里程碑的國家。

資料圖為 “九章二號”144模式干涉儀(部分)實驗照片。 中新社發(fā) 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 供圖

記者獲悉，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊，與中科院上海技術(shù)物理研究所合作，構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之二號”，實現(xiàn)了對“量子隨機線路取樣”任務(wù)的快速求解。根據(jù)現(xiàn)有理論，“祖沖之二號”處理的量子隨機線路取樣問題的速度比目前最快的超級計算機快7個數(shù)量級，計算復(fù)雜度比谷歌公開報道的53比特超導(dǎo)量子計算原型機“懸鈴木”提高了6個數(shù)量級，這一成果是我國繼光量子計算原型機“九章”后在超導(dǎo)量子比特體系首次達到“量子計算優(yōu)越性”里程碑。

1981年，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼提出了量子計算機構(gòu)想，如何把“構(gòu)想”變成現(xiàn)實一直是科學(xué)家們的夢想。目前，量子計算已被認(rèn)為可能是下一代信息革命的關(guān)鍵技術(shù)，可通過特定算法產(chǎn)生超越傳統(tǒng)計算機的算力，解決重大經(jīng)濟社會問題。因此，研制量子計算機成為世界科技前沿重大挑戰(zhàn)。

2020年，潘建偉團隊成功構(gòu)建76個光子的量子計算原型機“九章”，處理高斯玻色取樣問題的速度只需要200秒，比超級計算機快100萬億倍，使中國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”(也稱“量子霸權(quán)”)的國家。

今年以來，潘建偉團隊進行了一系列概念和技術(shù)創(chuàng)新，于近期成功研制出“九章二號”。

“我們主要有三大突破，首先顯著提高了量子光源的產(chǎn)率、品質(zhì)和收集效率，將光源關(guān)鍵指標(biāo)從63%提升到92%。其次，將多光子量子干涉線路從100維度增加到144維度，操縱的光子數(shù)從76個增加到113個。再次，新增了可編程功能?！毖芯繄F隊成員、中科大教授陸朝陽說。

實驗結(jié)果顯示，“九章二號”的算力實現(xiàn)了巨大提升。根據(jù)目前已發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典算法，“九章二號”求解高斯玻色取樣問題的處理速度，比全球最快的超級計算機快億億億倍(10的24次方倍)，比“九章”快100億倍。“九章二號”1毫秒可算出的問題，全球“最快超算”需30萬億年。

“目前的‘九章二號’還只是‘單項冠軍’，但其超強算力在圖論、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。”陸朝陽說，“未來的通用型量子計算機有望在密碼破譯、天氣預(yù)報、材料設(shè)計、藥物分析等領(lǐng)域發(fā)揮作用?！?/p>

而同期另一篇論文表明，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，發(fā)展了量子光源受激放大的理論和實驗方法，構(gòu)建了113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”，并實現(xiàn)了相位可編程功能，完成了對用于演示“量子計算優(yōu)越性”的高斯玻色取樣任務(wù)的快速求解。根據(jù)現(xiàn)有理論，“九章二號”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快1024倍。這一成果再次刷新了國際上光量子操縱的技術(shù)水平，進一步提供了量子計算加速的實驗證據(jù)。

基于光子的玻色取樣和基于超導(dǎo)比特的隨機線路取樣是實驗展示量子計算優(yōu)越性的兩個重要方案。潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處于國際領(lǐng)先水平。2017年，該團隊構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算原型機。2019年，團隊進一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，逼近了“量子計算優(yōu)越性”。

今年，該團隊在“九章”的基礎(chǔ)上，進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)計并實現(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。此外，通過三維集成和收集光路的緊湊設(shè)計，多光子量子干涉線路增加到了144維度。由此，“九章二號”探測到的光子數(shù)增加到了113個，輸出態(tài)空間維度達到了1043。通過動態(tài)調(diào)節(jié)壓縮光的相位，研究人員進一步實現(xiàn)了對高斯玻色取樣矩陣的重新配置，演示了“九章二號”可用于求解不同參數(shù)數(shù)學(xué)問題的編程能力。(記者常河、丁一鳴 通訊員桂運安)