▲光量子干涉实物图：左下方为输入光学部分，右下方为锁相光路，上方共输出100个光学模式，分别通过低损耗单模光纤与100超导单光子探测器连接。(摄影：马潇汉，梁竞，邓宇皓)
实现“量子计算优越性”（即“量子霸权”），中国科学家取得里程碑式进展——成功构建了76个光子的量子计算原型机“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，其速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍，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。
今天凌晨，国际著名学术期刊《科学》杂志刊登了这一来自中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等研究团队的重磅成果。
量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力。目前，量子计算原型机有望通过特定算法，在计算能力上实现相比于经典计算机的指数级提升，从而为解决一些具有重大社会和经济价值的问题，如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等提供可能。
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，也是欧美发达国家竞相角逐的焦点。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，团队进一步研制了国际最高性能单光子光源，输出了复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，已逼近“量子计算优越性”。
▲100模式相位稳定干涉仪：光量子干涉装置集成在20 cm*20 cm的超低膨胀稳定衬底玻璃上, 用于实现50路单模压缩态间的两两干涉，并高精度地锁定任意两路光束间的相位。（摄影：马潇汉，梁竞，邓宇皓）
近年来，潘建伟团队联合中科院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心，通过自主研制的同时具备高效率、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的-9次方以内的锁相精度，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模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”，输出量子态空间规模达到1030——取名“九章”是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。
▲光量子干涉示意图 (制图：文乐，罗弋涵)
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日本“富岳”快一百万亿倍，即“九章”一分钟完成的任务，“富岳”需要算一亿年。而且，“九章”还克服了谷歌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。
▲“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)
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。《科学》杂志审稿人评价该工作是“一个最先进的实验”“一个重大成就”。未来，这项工作预计还将有提升空间，并能激发更多经典算法模拟方面的工作。
该工作得到国际物理学界的广泛认可和赞誉。美国物理学会会士、维也纳大学教授飞利浦·沃尔特表示，潘建伟、陆朝阳团队在实验中拿到了目前最强经典计算机万亿年才能给出的计算结果，为量子计算机的超强能力给出了强有力的证明。英国物理学会托马斯·杨奖章获得者、英国剑桥大学教授梅特·阿塔图尔克说：“通过这项工作，我们进入了量子技术应用的时代，与传统方法相比，我们取得了可触及的优越性。”奥地利科学院院长、沃尔夫奖得主、美国科学院院士安东·塞林格称赞这项工作成果“非常重要”，并预测很有可能有朝一日量子计算机会被广泛使用，甚至每个人都可以使用。
据悉，这项工作得到了中国科学院、安徽省、科技部、上海市和国家自然科学基金委的支持。
作者：许琦敏
编辑：许琦敏
责任编辑：任荃
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