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　　中國(guo)科學技(ji)(ji)術大(da)學中國(guo)科學院量子(zi)信(xin)(xin)息與(yu)量子(zi)科技(ji)(ji)創新研究院潘建偉、陸朝(chao)陽、劉乃樂等(deng)組(zu)成(cheng)(cheng)的(de)(de)研究團隊與(yu)中國(guo)科學院上(shang)海微系統所、國(guo)家并行計算(suan)(suan)機(ji)工(gong)程技(ji)(ji)術研究中心合作，成(cheng)(cheng)功構建了(le)(le)(le)255個(ge)光子(zi)的(de)(de)量子(zi)計算(suan)(suan)原型機(ji)“九章(zhang)三號(hao)”，再度(du)刷新了(le)(le)(le)光量子(zi)信(xin)(xin)息的(de)(de)技(ji)(ji)術水平(ping)和量子(zi)計算(suan)(suan)優越性(xing)的(de)(de)世界紀錄。科研人員(yuan)設(she)計了(le)(le)(le)時(shi)空解復用的(de)(de)光子(zi)探測新方法，構建了(le)(le)(le)高(gao)保(bao)真度(du)的(de)(de)準光子(zi)數可(ke)分辨(bian)探測器，提(ti)升了(le)(le)(le)光子(zi)操縱(zong)水平(ping)和量子(zi)計算(suan)(suan)復雜度(du)。根據公開正式發表的(de)(de)最優經典(dian)精(jing)確采樣(yang)(yang)算(suan)(suan)法，“九章(zhang)三號(hao)”處(chu)理(li)高(gao)斯玻色取樣(yang)(yang)的(de)(de)速度(du)比上(shang)一(yi)代“九章(zhang)二號(hao)”提(ti)升一(yi)百(bai)(bai)萬(wan)倍。“九章(zhang)三號(hao)”在百(bai)(bai)萬(wan)分之一(yi)秒時(shi)間內所處(chu)理(li)的(de)(de)最高(gao)復雜度(du)的(de)(de)樣(yang)(yang)本，需要當(dang)前(qian)最強的(de)(de)超(chao)級計算(suan)(suan)機(ji)“前(qian)沿”(Frontier)花費超(chao)過二百(bai)(bai)億年(nian)的(de)(de)時(shi)間。這一(yi)成(cheng)(cheng)果(guo)進一(yi)步鞏(gong)固了(le)(le)(le)我國(guo)在光量子(zi)計算(suan)(suan)領(ling)域的(de)(de)國(guo)際(ji)領(ling)先地(di)位。

圖(tu)1：實驗裝置示意圖(tu)

　　量子(zi)(zi)計(ji)算是后摩爾(er)時代的一種新的計(ji)算范式(shi)，它在(zai)原理上(shang)具有(you)超快的并行計(ji)算能力，可望通過特定量子(zi)(zi)算法在(zai)一些(xie)具有(you)重大社(she)會和(he)經濟價(jia)值的問題方面相比經典計(ji)算機(ji)實現(xian)指數級別的加速。因而(er)，研制量子(zi)(zi)計(ji)算機(ji)是當前世界科技前沿的最大挑(tiao)戰之一。

　　為此，國際學術(shu)界制(zhi)定了三步走的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)路線。其中(zhong)，第一步是實(shi)現“量子(zi)計(ji)算(suan)(suan)優越性(xing)”，即通過對近百個量子(zi)比特(te)的(de)(de)(de)高精(jing)度(du)量子(zi)調控(kong)，對特(te)定問題的(de)(de)(de)求解展(zhan)現超級計(ji)算(suan)(suan)機(ji)(ji)無法比擬的(de)(de)(de)算(suan)(suan)力(li)，這標志著40年前 Feynman等人的(de)(de)(de)夢想成為現實(shi)。“量子(zi)計(ji)算(suan)(suan)優越性(xing)”實(shi)驗還可(ke)用于(yu)檢驗計(ji)算(suan)(suan)科(ke)學的(de)(de)(de)“擴展(zhan)的(de)(de)(de)丘奇(qi)—圖靈論題”。同時，在(zai)此過程中(zhong)，發(fa)展(zhan)出(chu)可(ke)擴展(zhan)的(de)(de)(de)量子(zi)調控(kong)技術(shu)，為具(ju)備容錯能(neng)力(li)的(de)(de)(de)通用量子(zi)計(ji)算(suan)(suan)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)研(yan)制(zhi)提供(gong)技術(shu)基礎。

　　2019年，美國(guo)谷歌(ge)和加州大學發布了53比(bi)特“懸鈴木(mu)”超(chao)導(dao)量(liang)子(zi)(zi)計算處理(li)(li)器，宣稱用200秒(miao)求解的(de)(de)隨機線路采樣問題需要超(chao)級計算機一萬年時(shi)(shi)間(jian)求解。然而，這一宣稱隨后受到了中國(guo)科學家(jia)的(de)(de)挑(tiao)戰，改進后的(de)(de)經典算法使得(de)超(chao)算上的(de)(de)計算時(shi)(shi)間(jian)從一萬年縮短到數十(shi)秒(miao)，快于“懸鈴木(mu)”量(liang)子(zi)(zi)處理(li)(li)器。

　　2020年(nian)，中國(guo)科(ke)大(da)團隊成(cheng)功(gong)構(gou)建76光(guang)子的(de)(de)“九章(zhang)”光(guang)量(liang)(liang)子計算(suan)(suan)原(yuan)型機[Science 370, 1460 (2020)]，首次(ci)在國(guo)際上實(shi)現光(guang)學(xue)體系的(de)(de)“量(liang)(liang)子計算(suan)(suan)優(you)越性(xing)”，并克服了(le)谷歌實(shi)驗中量(liang)(liang)子優(you)越性(xing)依(yi)賴于樣本數量(liang)(liang)的(de)(de)漏洞。2021年(nian)，中國(guo)科(ke)大(da)團隊進一(yi)步(bu)成(cheng)功(gong)研制了(le)113光(guang)子的(de)(de)可相位編(bian)程的(de)(de)“九章(zhang)二號”[PRL 127, 180502 (2021)]和56比特的(de)(de)“祖(zu)沖之二號”量(liang)(liang)子計算(suan)(suan)原(yuan)型機[PRL 127, 180501 (2021)]，使(shi)我國(guo)成(cheng)為唯(wei)一(yi)在光(guang)學(xue)和超導兩種技術路線(xian)都達到了(le)“量(liang)(liang)子計算(suan)(suan)優(you)越性(xing)”的(de)(de)國(guo)家。

　　在這(zhe)個“量(liang)子(zi)(zi)計算優越(yue)性”戰略(lve)高地(di)，國(guo)際(ji)競爭呈(cheng)現出白(bai)熱化。位于加(jia)拿大多(duo)倫(lun)多(duo)的Xanadu公司(si)與美(mei)國(guo)國(guo)家標準與技(ji)術研(yan)究院合(he)作，采用與“九(jiu)章(zhang)”光量(liang)子(zi)(zi)計算原型機(ji)相同的高斯(si)玻色取樣路線，在2022年發布(bu)了216光子(zi)(zi)的“北極光”量(liang)子(zi)(zi)處理器(qi)，在國(guo)際(ji)上(shang)第二個實現了光學體系“量(liang)子(zi)(zi)計算優越(yue)性”。

圖2：光量子(zi)計算的國際競爭態勢

　　中(zhong)國科(ke)大團隊(dui)在理(li)論上(shang)首次發展(zhan)(zhan)了(le)(le)(le)(le)包含光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)全同性的(de)(de)(de)(de)新(xin)理(li)論模型，實現了(le)(le)(le)(le)更(geng)精確的(de)(de)(de)(de)理(li)論與實驗的(de)(de)(de)(de)吻合;同時，發展(zhan)(zhan)了(le)(le)(le)(le)完(wan)備的(de)(de)(de)(de)貝葉(xie)斯(si)驗證(zheng)和關聯函數驗證(zheng)，全面排(pai)除了(le)(le)(le)(le)所有(you)已知的(de)(de)(de)(de)經典(dian)仿冒算(suan)法，為量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)計算(suan)優越性提(ti)供了(le)(le)(le)(le)進一(yi)(yi)步數據支撐。在技術上(shang)，研制了(le)(le)(le)(le)基(ji)于(yu)光(guang)纖時間延遲環的(de)(de)(de)(de)超(chao)導(dao)納米(mi)線探(tan)測器(qi)，把(ba)多光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)態分束到不同空間模式并通過延時把(ba)空間轉化為時間，實現了(le)(le)(le)(le)準光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)數可分辨(bian)的(de)(de)(de)(de)探(tan)測系統。這一(yi)(yi)系列創(chuang)新(xin)使得研究(jiu)團隊(dui)首次實現了(le)(le)(le)(le)對(dui)255個(ge)光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)操(cao)縱能力，極(ji)大地(di)提(ti)升了(le)(le)(le)(le)光(guang)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)計算(suan)的(de)(de)(de)(de)復雜度，處理(li)高(gao)斯(si)玻色取樣的(de)(de)(de)(de)速(su)度比“九章二號”提(ti)升了(le)(le)(le)(le)一(yi)(yi)百萬倍。在激(ji)烈的(de)(de)(de)(de)國際競(jing)爭角(jiao)逐中(zhong)，“九章三號”的(de)(de)(de)(de)實現進一(yi)(yi)步鞏固了(le)(le)(le)(le)我國在光(guang)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)計算(suan)領(ling)域的(de)(de)(de)(de)國際領(ling)先地(di)位。

　　進(jin)一(yi)步，在(zai)構建(jian)“九章”系(xi)(xi)列光量(liang)(liang)子計算(suan)(suan)原型(xing)機的(de)(de)(de)基(ji)礎上，中國(guo)(guo)科大研(yan)究團隊揭示(shi)了高斯玻色取樣和(he)圖(tu)論之間(jian)的(de)(de)(de)數學聯系(xi)(xi)，完成對稠密(mi)(mi)子圖(tu)和(he)Max-Haf兩類(lei)具有實(shi)用(yong)價值的(de)(de)(de)圖(tu)論問題(ti)的(de)(de)(de)求解，相比(bi)經典(dian)計算(suan)(suan)機精確模擬的(de)(de)(de)速度快1.8億倍[PRL 130, 190601 (2023)]。此外，又(you)在(zai)國(guo)(guo)際上首次演示(shi)了無條件(jian)的(de)(de)(de)多光子量(liang)(liang)子精密(mi)(mi)測(ce)量(liang)(liang)優勢[PRL 130, 070801(2023)]。

圖3：九章三號的計算復雜度(du)需要(yao)花費超(chao)級計算機的時間。

　　量(liang)子(zi)計算(suan)(suan)(suan)優越性的(de)研(yan)(yan)究(jiu)是一(yi)個復雜而富有挑戰(zhan)性的(de)工作，量(liang)子(zi)計算(suan)(suan)(suan)硬件與經(jing)典算(suan)(suan)(suan)法之間存(cun)在著(zhu)長(chang)期(qi)競(jing)爭。研(yan)(yan)究(jiu)人員期(qi)待這項工作一(yi)方面(mian)能(neng)夠激發更多關于經(jing)典算(suan)(suan)(suan)法模擬的(de)研(yan)(yan)究(jiu)工作，另一(yi)方面(mian)有助于逐步解決量(liang)子(zi)計算(suan)(suan)(suan)研(yan)(yan)究(jiu)中的(de)各種(zhong)科(ke)學和工程挑戰(zhan)。

　　上述項目(mu)受(shou)到了(le)安(an)徽省、上海市、科技部、中國科學院(yuan)和基金委的支持。

　　論文鏈接：//journals.aps.org/prl/issues/131/15

　　(合(he)肥微尺度物(wu)質(zhi)科(ke)學(xue)國(guo)家研(yan)究(jiu)中(zhong)心、物(wu)理學(xue)院(yuan)、中(zhong)國(guo)科(ke)學(xue)院(yuan)量子信息與量子科(ke)技(ji)創新研(yan)究(jiu)院(yuan)、科(ke)研(yan)部(bu))