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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，發(fā)展了量子光源受激放大的理論和實驗方法，構(gòu)建了113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”，并實現(xiàn)了相位可編程功能，完成了對用于演示“量子計算優(yōu)越性”的高斯玻色取樣任務(wù)的快速求解。根據(jù)現(xiàn)已正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典算法理論，“九章二號”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快10^24倍。這一成果再次刷新了國際上光量子操縱的技術(shù)水平，進(jìn)一步提供了量子計算加速的實驗證據(jù)。相關(guān)論文于2021年10月26日以“編輯推薦”的形式發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上。著名量子物理學(xué)家、加拿大Calgary大學(xué)教授Barry Sanders同時受邀在Physics網(wǎng)站上謄寫長篇評述文章，稱贊該工作是“令人激動的實驗杰作”（dramatic tour de force.....），“令人印象深刻的最前沿的進(jìn)步”（an impressive advance over the state-of-the-art）。

圖1：九章二號整體裝置圖(制圖：陸朝陽，彭禮超)

量子計算機在原理上可通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面，獲得比經(jīng)典計算機更強的算力。早在1981年，費曼就提出了量子計算的初步想法。大規(guī)模量子計算機的物理實現(xiàn)是世界科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一。對于研制容錯的通用量子計算，因其苛刻的容錯閾值和大規(guī)模的量子比特數(shù)目，離目前人類的科技發(fā)展水平尚有不小的差距。

因此，實現(xiàn)對于量子計算的物理實現(xiàn)，國際學(xué)術(shù)界采取三步走的路線圖。其中，第一個里程碑，在學(xué)術(shù)上被稱為“量子計算優(yōu)越性”，其含義是通過高精度地操縱近百個物理比特，用來高效地解決超級計算機都無法在合理時間內(nèi)解決的特定的高復(fù)雜度數(shù)學(xué)問題，從實驗上確鑿地證明四十年前費曼所提出來地量子計算加速設(shè)想，并挑戰(zhàn)“擴展的丘奇—圖靈論題”。

圖2：九章二號144模式干涉儀（部分）實驗照片(攝影：馬瀟漢，楊建瑞，李豐，鄧宇皓)

基于光子的玻色取樣和基于超導(dǎo)比特的隨機線路取樣是實驗展示量子計算優(yōu)越性的兩個重要方案。潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處于國際領(lǐng)先水平。2017年，該團隊構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算原型機。2019年，團隊進(jìn)一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出希爾伯特態(tài)空間維度達(dá)到10^14，逼近了“量子計算優(yōu)越性”。

2020年，潘建偉團隊成功構(gòu)建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”，輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)到了10^30，處理高斯玻色取樣的速度比超級計算機快一百萬億倍，同時克服了谷歌基于“懸鈴木”超導(dǎo)處理器的隨機線路取樣實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。“九章”實驗完成后，在理論提出玻色取樣算法和證明計算復(fù)雜度的Scott Aaronson教授隨后獲得了由國際計算機協(xié)會頒發(fā)的ACM Prize in Computing。

2021年，團隊在“九章”的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一系列概念和技術(shù)創(chuàng)新。受到激光—“受激輻射光放大”概念的啟發(fā)，研究人員設(shè)計并實現(xiàn)了受激雙模量子壓縮光源，顯著提高了量子光源的產(chǎn)率、品質(zhì)和收集效率。其次，通過三維集成和收集光路的緊湊設(shè)計，多光子量子干涉線路增加到了144維度。由此，“九章二號”探測到的光子數(shù)增加到了113個，輸出態(tài)空間維度達(dá)到了10^43。進(jìn)一步，通過動態(tài)調(diào)節(jié)壓縮光的相位，研究人員實現(xiàn)了對高斯玻色取樣矩陣的重新配置，演示了“九章二號”可用于求解不同參數(shù)數(shù)學(xué)問題的編程能力。根據(jù)目前已正式發(fā)表的最優(yōu)化經(jīng)典算法，“九章二號”在高斯玻色取樣這個問題上的處理速度比最快的超級計算機快億億億倍。

圖3：論文數(shù)據(jù)圖。a圖表示輸出態(tài)空間的維度。b圖表示光量子計算原型機相比超算的優(yōu)勢倍數(shù)。

研究人員希望這個工作能夠繼續(xù)激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作，也預(yù)計將來會有提升的空間。量子優(yōu)越性研究并不是一個一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭，但最終量子并行性會產(chǎn)生經(jīng)典計算機無法企及的算力。

該論文第一作者是博士研究生鐘翰森、鄧宇皓、覃儉。上述項目受到了安徽省、上海市、科技部、中科院和基金委的支持。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180502

美國物理學(xué)會Physics網(wǎng)站專家點評：https://physics.aps.org/articles/v14/147

（微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）