研制量子计算机是世界科技前沿的最大挑战之一

量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面(如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等)相比经典计算机实现指数级别的加速。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，成为欧美各发达国家角逐的焦点。>>详情

“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。(中国科学技术大学供图 制图：陆朝阳，彭礼超)

量子计算需经历“三步走”

量子计算机的研制是一个极具挑战并且周期可能较长的工作。实现计算科学中“量子计算优越性”、研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机、研制可编程的通用量子计算原型机，被认为是量子计算研究的3个里程碑。潘建伟表示，这一成果意味着我国成功达到量子计算研究的第一个里程碑——量子计算优越性，牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现规模化量子模拟机奠定了技术基础。>>详情

实现“量子优越性”有两种路径

利用超导量子比特实现随机线路取样和利用光子实现玻色取样，是目前国际学术界公认的演示量子计算优越性的两大途径。在第二种路线上，中科大团队一直保持国际领先。2019年，他们实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算，输出状态空间维数高达三百七十万亿，其复杂度相当于48个量子比特，逼近了“量子计算优越性”。

此次，潘建伟团队通过自主研制同时具备高效率、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的负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个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”，意为纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。>>详情

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。(中国科学技术大学供图 摄影：马潇汉，梁竞，邓宇皓)

获此成果，共攻克了五大“关卡”

对此研究成果，潘建伟光量子计算团队已经进行了多年的“打怪升级”。最终攻克五大“关卡”：

首先，它需要单模压缩态同时具备足够高的压缩参数、光子全同性和采集效率;

其次，它需要大型干涉仪同时具备完全连通性、矩阵随机性、近似完美波包重叠和相位稳定，以及近统一传输速率;

第三，它需要对单模压缩态中的所有光子数状态实现相位控制;

第四，它需要高效探测器采集输出分布;

最后，从巨大的输出态空间获得的稀少样本需要被验证，并且表现要与超级计算机形成比较。>>详情

光量子干涉示意图 (中国科学技术大学供图 制图：文乐，罗弋涵)

该成果让我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家

“量子优越性像个门槛，是指当新生的量子计算原型机，在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明其未来有多方超越的可能。”中科大教授陆朝阳说，多年来国际学界高度关注、期待这个里程碑式转折点到来。

去年9月，美国谷歌公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学算法的计算只需200秒，而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需2天，实现了“量子优越性”。实验显示，“九章”的计算速度比“悬铃木”快100亿倍，并弥补了“悬铃木”依赖样本数量的技术漏洞。>>详情

国外同行盛赞中国量子科技成就

这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性。多位国外相关领域的教授，包括多位沃尔夫奖获得者，美国科学院院士等资深专家，纷纷发表评论，盛赞中国科学家所取得的这一重大成就。>>详情