求解特定問題比超算快一億億倍！中國科學(xué)家成功研制“九章三號”量子計(jì)算原型機(jī)

記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，近期成功構(gòu)建255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號”，再度刷新光量子信息技術(shù)世界紀(jì)錄，求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問題比目前全球最快的超級計(jì)算機(jī)快一億億倍，在研制量子計(jì)算機(jī)之路上邁出關(guān)鍵一步。

1981年，諾貝爾獎獲得者理查德·費(fèi)曼提出量子計(jì)算機(jī)構(gòu)想。作為信息科技“后摩爾時(shí)代”一種新型計(jì)算范式，量子計(jì)算在原理上具有超快并行計(jì)算能力，可通過特定算法產(chǎn)生超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的算力，解決重大經(jīng)濟(jì)社會問題。

“九章三號”實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖）

2020年，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，處理高斯玻色取樣問題的速度比當(dāng)時(shí)最快的超級計(jì)算機(jī)快一百萬億倍，使中國成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。2021年，他們進(jìn)一步成功研制113個(gè)光子的“九章二號”和66比特的“祖沖之二號”量子計(jì)算原型機(jī)，使中國成為唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩條技術(shù)路線都實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。

近兩年，他們在理論上首次開發(fā)了包含光子全同性的新理論模型，實(shí)現(xiàn)更精確的理論與實(shí)驗(yàn)吻合度，同時(shí)發(fā)展了完備的貝葉斯驗(yàn)證和關(guān)聯(lián)函數(shù)驗(yàn)證。

“我們研制了基于光纖時(shí)間延遲環(huán)的超導(dǎo)納米線探測器，首先把多光子態(tài)分束到不同空間模式，然后通過延時(shí)把空間轉(zhuǎn)化為時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)光子數(shù)可分辨的單光子探測系統(tǒng)。”研究團(tuán)隊(duì)成員、中國科大教授陸朝陽說，這些創(chuàng)新使團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了對255個(gè)光子的操縱能力，極大提升計(jì)算的復(fù)雜度。

根據(jù)業(yè)界公開發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典精確采樣算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣的速度比“九章二號”提升一百萬倍，“九章三號”1微秒可算出的最復(fù)雜樣本，當(dāng)前全球最快的超級計(jì)算機(jī)“前沿”（Frontier）約需200億年。

10月11日，國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》發(fā)表了該成果。

據(jù)悉，未來的通用型量子計(jì)算機(jī)可望在密碼破譯、天氣預(yù)報(bào)、材料設(shè)計(jì)等領(lǐng)域發(fā)揮作用，目前的“九章三號”還只是具有潛在應(yīng)用價(jià)值的“單項(xiàng)冠軍”。

潘建偉團(tuán)隊(duì)表示，期待這次突破能激發(fā)科學(xué)界更多關(guān)于經(jīng)典算法模擬的研究，解決各種科學(xué)和工程挑戰(zhàn)，加快實(shí)現(xiàn)通用型量子計(jì)算機(jī)。（記者 徐海濤、陳諾、戴威）