““九章”计算机助力我国首次实现“量子计算优越性””

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最近，中国科学家成功构建了76个光子的量子计算样机“九章”。 如果计算沃尔沃采样问题，“第九章”解决5000万个样本只需要200秒，但目前全球最快的超算需要6亿年。 这是我国首次实现“量子计算优势”。

目前，开发量子计算机是世界科学技术前沿的最大挑战之一。 将来，“九章”将在机器学习、量子化学等行业得到潜在的应用。

最近，中国科技大学潘建伟、陆朝阳等学者组成的研究小组与中国科学院上海微系统所、新闻技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子的量子计算样机“九章”。 如果计算沃尔沃采样的问题，《第九章》解决5000万个样本只需要200秒，而目前世界上最快的超级计算机需要6亿年。

这是我国首次实现“量子计算优势”，这一突破也使我国成为世界上第二个实现“量子优势”的国家。 12月4日，《科学》杂志发表了这一成果。

难点很多

致力于设备的自主开发、技术改革创新

《九章》是中国古代的数学专著《九章算术》，是中国在国际量子计算研究中牢固确立第一梯队地位的量子计算样机，两者都具有里程碑意义。

“量子计算优势”是指新兴的量子计算机，如果在某个问题上的计算能力最强，超过以前流传的计算机，就说明了量子计算机的优势，从多方面超过了未来以前流传的计算机的门槛。

“这将把实验各方面的技术推进到远远超过以前水平。 ”澳大利亚昆士兰大学教授蒂姆·拉夫表示:“该设备规模非凡: 100模式干涉仪，25个压缩器提供输入的量子状态，使用100个单光子探测器进行检测的同时，实现并维持高效、稳定性、量子不识别性。

从20光子输入60模式干涉线路的玻色子采样到76光子100模式的高斯玻色子采样，设备上需要花心思。 “最初，高效100通道超导纳米线单光子探测器的性能低至4%。 我们与中国科学院上海微系统和新闻技术研究所合作，自主进行了研发、技改创新，目前其性能提高到了98%。 ”。 陆朝阳表示，继续加强量子光源、量子干涉、单光子探测器等行业的自主创新是下一个研究重点。

“利用量子器件处理越来越多的复杂问题，体现量子的特征，是量子科学最前沿的最重要问题之一。 ”。 美国科学院院士、沃尔夫奖获得者、狄拉克奖获得者彼得·佐拉认为，潘建伟团队的研究，在量子系统的大小和可扩展性、实际应用前景方面，把研究水平提高到了新的水平。

意义非凡

在不增加功耗的情况下，提高计算能力

“大数据时代，世界数据量呈指数级增长，每两年翻一番。 庞大的数据不提取就没有意义，”潘建伟说。 目前，计算机一直以来传承的快速发展模式受到限制，超级计算机耗电量巨大。 潘建伟表示，“九章”的出现，意味着不增加功耗，提高计算能力。

目前，量子计算机的开发已成为世界科学技术前沿的最大挑战之一，是世界角逐的焦点。 去年，谷歌公司发布了53台超导量子比特的计算机“悬疑”，一个数学算法的计算效率远远超过了当时世界上最快的超级计算机，率先实现了“量子优势”。 “9章”实现了“高斯抽样”任务的快速解决。

要解决5000万样本的高斯玻色采样问题，“第九章”只需要200秒，而目前全球最快的超算需要6亿年，要解决100亿个样本，“第九章”需要10个小时，超级计算机需要1200亿 正如陆朝阳所说，“《九章》在一分钟内完成了经典超级计算机一亿年就能完成的任务。 ”。

对于量子计算机的研究，国际同行公认有三个指标性的快速发展阶段:第一阶段是迅速发展具有50至100个量子比特的高精度专用量子计算机，实现量子计算在计算科学中优势的里程碑。 第二阶段是开发能够相干操作数百个量子比特的量子模拟器，以处理一些超级计算机无法承受的具有重大实用价值的问题，第三阶段是从可集成的量子比特数大幅提高百万级，实现容错量子逻辑门，

据陆朝阳介绍，与《悬铃木》相比，《九章》具有计算速度快、环境适应性强、克服技术脆弱性三大优点。 《悬铃木》只在小样本的情况下比超计算快，《九章》在小样本和大样本中都超过了超计算。 “就像赛跑一样，谷歌的机械短跑能赢超算，长跑赢不了。 我们的机器在短跑、长跑中都可以获胜。 ”

前景广阔

在机器学习、量子化学等行业有潜在的应用

在合肥，量子计算样机“九章”几乎占了一半的实验室，包括上千个部件。 现在，“九章”和“悬铃木”一样，只能回答某个用户的问题。 潘建伟认为，这是因为目前可用于构建量子计算机的材料有限，世界正在朝着许多方向努力。 “未来量子计算机的突破很可能依赖于量子计算硬件中新材料的创新”。

目前，基于“9章”的高斯玻色子采样算法在图论、机器学习、量子化学等行业有潜在的应用，是后续快速发展的重要方向。 潘建伟团队表示，“九章”的计算力惊人，不过是量子计算第一阶段建树的里程碑。 “希望通过15~20年的努力，开发通用的量子计算机，以处理密码分解、气象预报、药物设计等应用非常广泛的问题。” 潘建伟说。

科学杂志的评论员评价说，这是“最先进的实验”“很大的成果”。 “量子优势”实验不是一蹴而就的事业，而是更快的经典算法和不断提高的量子计算硬件之间的竞争。 但最终，量子并行性产生了经典计算机无法实现的计算力。 潘建伟团队希望这项工作能够刺激越来越多的经典算法模拟工作。