中国「九章」问世，超越谷歌「量子霸权」，潘建伟携90后团队登上Science

编者按：本文来自微信公众号“新智元”（ID:AI_era），作者：新智元，36氪经授权发布。

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」。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。

「量子霸权」再次被实现了吗？

今日凌晨，国际著名学术期刊Science刊登了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。

这篇论文名为「用光子实现量子计算优越性」（Quantum computational advantage using photons）。

根据现有理论，其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，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。

潘建伟团队将该光量子计算系统命名为「九章」，是为了此纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。

这是一个里程碑式的进展，代表着我国达到了量子计算优越性（也称量子霸权）。

超越谷歌「量子霸权」，「玻色采样」PK「随机线路采样」

什么是量子霸权？

就在去年谷歌取得相关进展后，这个词彻底走进了大众的视野。

量子霸权的概念是加州理工的John Preskill教授在2012年提出来的。

一般指的是，量子计算在某一个问题上，可以解决经典计算机不能解决的问题或者是比经典计算机有显著的加速(一般是指数加速)。

实现量子霸权有两个难点：一是操纵量子比特的数量；二是操纵的量子比特的精准度。

去年，谷歌利用「随机线路采样」这一特定任务实现了所谓的量子霸权。在世界第一超算 Summit 需要计算 1 万年的实验中，谷歌的量子计算机只用了 200 秒。这一论文被发表在Nature上：

而另一个被认为能在量子霸权中实现突破的特定任务，叫做「玻色采样」。这也是潘建伟团队的领域。

玻色采样是一种采样任务，2010年由当时在MIT的Scott Aaronson和 Alex Arkhipov首次提出。

2010年，Scott Aaronson 和 Alex Arkhipov从理论上证明，n光子玻色取样的分布概率正比于n维矩阵积和式(Permanent)的模方，这对经典算法来说是#P-complete困难的问题，随着光子数的增加，求解步数呈指数增长。

对于这样的问题，量子计算机在中小规模下就有可能打败超级计算机。自此，「玻色采样」问题被用来挑战量子计算优越性。

「九章」量子计算原型机光路系统原理图

但是实际操作中也有许多困难，要想成功，必须得在单光子源和干涉仪上下功夫，单光子源的单光子性、全同性和提取效率要好，干涉仪效率要高，波包重叠性也要好。

于是，人们想到了量子点光源，希望用量子点光源来产生真正的单光子。

2017年，中国科大潘建伟、陆朝阳团队同样把目光聚焦到了量子点光源。他们用一种共振激发的量子点光源，能产生确定性的高品质单光子，此外，他们自主设计研发了高效率的线性光学网络。

光量子干涉示意图 （制图：文乐，罗弋涵）

「九章」便采用的是这样的方式，实现了76个量子位的计算，这比去年谷歌发布的量子计算机，其算法运行在一个由53个量子位组成的量子芯片上，在量子数量上超出了近50%，实现了所谓量子霸权的突破。

而且，与谷歌采用零下273摄氏度左右的超导线圈产生量子比特不同，潘建伟团队的大部分实验过程在常温下进行。

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·阿塔图尔克评价这一成果：「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。」

论文一作多为90后，「中国量子之父」徒弟也是大神

但凡对量子力学和量子计算有所关注的人，不可能不知道潘建伟。

毕业于中科大近代物理系，在奥地利完成博士学位的潘建伟，2001年起一手搭建起了中国的量子实验室。这位中国科学技术大学的教授，中国科学院院士，时常被称为「中国量子之父」——他当之无愧。

作为量子科学研究的「泰斗」级人物，潘建伟和其团队已经在这个领域取得过多项重大成果。

潘建伟不仅自己厉害，多年以来，他还为中国培养了一大批量子科学领域的顶尖人才。其中，比较著名的就是他的80后学生陆朝阳。

今年10月，美国物理学会（APS）宣布将2021年度罗夫·兰道尔和查尔斯·本内特量子计算奖（2021 Rolf Landauer and Charles H. Bennett Award in Quantum Computing）颁给中国科学家陆朝阳，奖励其「对光量子信息科学，尤其是固态量子光源、量子隐形传态和光量子计算的突出贡献」。

1998年春节前夕，陆朝阳所在的东阳中学邀请潘建伟在当时东阳最大的电影院发表了量子物理相关的汇报演讲。这场科普报告也为陆朝阳打开了量子世界的大门。

2000年，陆朝阳从浙江东阳走出考入中科大。本科毕业后，恰好当时潘建伟从欧洲归来组建实验室，他如愿跟随恩师潘建伟从事光量子信息方面的研究工作。

此后，在老师潘建伟的指导和鼓励下，陆朝阳不断学习深造，也逐渐成为量子科学研究领域的佼佼者。

而这次在《科学》杂志上发表的论文，第一作者也是几个年轻人，钟翰森、王辉、陈明城、邓宇皓等人都是90后。

列入十四五规划，中央表态，量子科技已成为国家战略

量子科技有多重要？从国家对其的重视程度就可以看出。

10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。

领导人在主持学习时指出，要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技发展战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋。

同时，领导人的讲话中还从政策、资金、人才、科研、技术等方面，对大力推动量子科技发展做出了更进一步的要求：

这也意味着，继区块链之后，量子科技这一前沿科技也成为国家战略，得到中央层面的大力支持，成为中国增强在科技领域国际核心竞争力的一步「先手棋」。

在11月初发布的十四五规划建议中，量子科技再次成为中央重点规划的战略性技术之一。

「建议」指出：「要瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。」

量子科技被排在了第2位，足见其在国家战略层面的重要性。

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。

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