根據(jù)中國科學技術(shù)大學10月26日消息，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等人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)已正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典算法理論，“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10^24倍，或者說快“億億億”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)。

相關(guān)論文以“編輯推薦”的形式發(fā)表在國際知名學術(shù)期刊《物理評論快報》上，論文標題為“Phase-Programmable Gaussian Boson Sampling Using Stimulated Squeezed Light”。

“在實踐中證明量子優(yōu)越性的方法是基于‘采樣問題’——其解決方案是給定概率分布的隨機實例或樣本的計算問題。如果生成這些實例對于經(jīng)典計算機不可行，但對于量子計算機可行，就表示實現(xiàn)了量子優(yōu)越性?！敝孔游锢韺W家、加拿大Calgary大學教授Barry Sanders在Physics網(wǎng)站發(fā)表的評述文章表示，“九章二號”與“祖沖之二號”的實驗結(jié)果是相對于最先進技術(shù)的令人印象深刻的進步。

九章二號整體裝置圖 圖源：中國科學技術(shù)大學官網(wǎng)

量子計算機利用量子力學現(xiàn)象（如疊加和糾纏），在原理上可通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題上，比經(jīng)典計算機更強。

1981年，費曼就提出量子計算的初步想法。大規(guī)模量子計算機的物理實現(xiàn)是世界科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一。對于研制容錯的通用量子計算，因其苛刻的容錯閾值和大規(guī)模的量子比特數(shù)目，離目前人類的科技發(fā)展水平尚有不小的差距。

因此，實現(xiàn)對于量子計算的物理實現(xiàn)，國際學術(shù)界采取三步走的路線圖。

第一個里程碑叫做“量子計算優(yōu)越性”，其含義是利用量子處理器高效地解決超級計算機都無法在合理時間內(nèi)解決的特定的高復(fù)雜度數(shù)學問題，從實驗上確鑿地證明四十年前費曼所提出來地量子計算加速設(shè)想。一般認為，實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性需要操控50以上的物理比特。

第二步是制成實用量子模擬機，需要相干操縱數(shù)百到數(shù)千量子比特；第三步，制成通用量子計算機，需要相干操縱數(shù)百萬至數(shù)千萬個量子比特。

基于光子的玻色取樣和基于超導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，輸出希爾伯特態(tài)空間維度達到1014，逼近了“量子計算優(yōu)越性”。

2020年，潘建偉團隊成功構(gòu)建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”，輸出量子態(tài)空間規(guī)模達到了1030，處理高斯玻色取樣的速度比超級計算機快一百萬億倍，同時克服了谷歌基于“懸鈴木”超導處理器的隨機線路取樣實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞?！熬耪隆睂嶒炌瓿珊?，在理論提出玻色取樣算法和證明計算復(fù)雜度的Scott Aaronson教授隨后獲得了由國際計算機協(xié)會頒發(fā)的ACM Prize in Computing。

a表示輸出態(tài)空間的維度。b表示光量子計算原型機相比超算的優(yōu)勢倍數(shù)。 圖源：中國科學技術(shù)大學官網(wǎng)

2021年，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。其次，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。進一步，通過動態(tài)調(diào)節(jié)壓縮光的相位，研究人員實現(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)學問題的編程能力。

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”在高斯玻色取樣這個問題上的處理速度比最快的超級計算機快10^24倍。