中國「九章」問世，超越谷歌「量子霸權(quán)」！潘建偉攜90后團隊登上Science

「量子霸權(quán)」再次被實現(xiàn)了嗎？

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今日凌晨，國際著名學術(shù)期刊Science刊登了來自中國科學技術(shù)大學潘建偉、陸朝陽等研究團隊的重磅成果。

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這篇論文名為「用光子實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性」（Quantum computational advantage using photons）。

根據(jù)現(xiàn)有理論，其速度比目前世界排名第一的超級計算機日本「富岳」快一百萬億倍，比去年谷歌發(fā)布的53個超導比特量子計算原型機「懸鈴木」快一百億倍。

潘建偉團隊將該光量子計算系統(tǒng)命名為「九章」，是為了此紀念中國古代最早的數(shù)學專著《九章算術(shù)》。

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一般指的是，量子計算在某一個問題上，可以解決經(jīng)典計算機不能解決的問題或者是比經(jīng)典計算機有顯著的加速(一般是指數(shù)加速)。

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實現(xiàn)量子霸權(quán)有兩個難點：一是操縱量子比特的數(shù)量；二是操縱的量子比特的精準度。

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去年，谷歌利用「隨機線路采樣」這一特定任務實現(xiàn)了所謂的量子霸權(quán)。在世界第一超算 Summit 需要計算 1 萬年的實驗中，谷歌的量子計算機只用了 200 秒。這一論文被發(fā)表在Nature上：

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而另一個被認為能在量子霸權(quán)中實現(xiàn)突破的特定任務，叫做「玻色采樣」。這也是潘建偉團隊的領域。

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玻色采樣是一種采樣任務，2010年由當時在MIT的Scott Aaronson和 Alex Arkhipov首次提出。

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2010年，Scott Aaronson 和 Alex Arkhipov從理論上證明，n光子玻色取樣的分布概率正比于n維矩陣積和式(Permanent)的模方，這對經(jīng)典算法來說是#P-complete困難的問題，隨著光子數(shù)的增加，求解步數(shù)呈指數(shù)增長。

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對于這樣的問題，量子計算機在中小規(guī)模下就有可能打敗超級計算機。自此，「玻色采樣」問題被用來挑戰(zhàn)量子計算優(yōu)越性。

? ? ? ? 「九章」量子計算原型機光路系統(tǒng)原理圖

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但是實際操作中也有許多困難，要想成功，必須得在單光子源和干涉儀上下功夫，單光子源的單光子性、全同性和提取效率要好，干涉儀效率要高，波包重疊性也要好。

于是，人們想到了量子點光源，希望用量子點光源來產(chǎn)生真正的單光子。

2017年，中國科大潘建偉、陸朝陽團隊同樣把目光聚焦到了量子點光源。他們用一種共振激發(fā)的量子點光源，能產(chǎn)生確定性的高品質(zhì)單光子，此外，他們自主設計研發(fā)了高效率的線性光學網(wǎng)絡。

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光量子干涉示意圖?（制圖：文樂，羅弋涵）

「九章」便采用的是這樣的方式，實現(xiàn)了76個量子位的計算，這比去年谷歌發(fā)布的量子計算機，其算法運行在一個由53個量子位組成的量子芯片上，在量子數(shù)量上超出了近50%，實現(xiàn)了所謂量子霸權(quán)的突破。

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而且，與谷歌采用零下273攝氏度左右的超導線圈產(chǎn)生量子比特不同，潘建偉團隊的大部分實驗過程在常溫下進行。

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英國物理學會托馬斯·楊獎章獲得者、英國劍橋大學教授梅特·阿塔圖爾克評價這一成果：「通過這項工作，我們進入了量子技術(shù)應用的時代，與傳統(tǒng)方法相比，我們?nèi)〉昧丝捎|及的優(yōu)越性?！?/p>

但凡對量子力學和量子計算有所關注的人，不可能不知道潘建偉。

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畢業(yè)于中科大近代物理系，在奧地利完成博士學位的潘建偉，2001年起一手搭建起了中國的量子實驗室。這位中國科學技術(shù)大學的教授，中國科學院院士，時常被稱為「中國量子之父」——他當之無愧。

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作為量子科學研究的「泰斗」級人物，潘建偉和其團隊已經(jīng)在這個領域取得過多項重大成果。

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潘建偉不僅自己厲害，多年以來，他還為中國培養(yǎng)了一大批量子科學領域的頂尖人才。其中，比較著名的就是他的80后學生陸朝陽。

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今年10月，美國物理學會（APS）宣布將2021年度羅夫·蘭道爾和查爾斯·本內(nèi)特量子計算獎（2021 Rolf Landauer and Charles H. Bennett Award in Quantum Computing）頒給中國科學家陸朝陽，獎勵其「對光量子信息科學，尤其是固態(tài)量子光源、量子隱形傳態(tài)和光量子計算的突出貢獻」。

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1998年春節(jié)前夕，陸朝陽所在的東陽中學邀請潘建偉在當時東陽最大的電影院發(fā)表了量子物理相關的匯報演講。這場科普報告也為陸朝陽打開了量子世界的大門。

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2000年，陸朝陽從浙江東陽走出考入中科大。本科畢業(yè)后，恰好當時潘建偉從歐洲歸來組建實驗室，他如愿跟隨恩師潘建偉從事光量子信息方面的研究工作。

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此后，在老師潘建偉的指導和鼓勵下，陸朝陽不斷學習深造，也逐漸成為量子科學研究領域的佼佼者。

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而這次在《科學》雜志上發(fā)表的論文，第一作者也是幾個年輕人，鐘翰森、王輝、陳明城、鄧宇皓等人都是90后。

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列入十四五規(guī)劃，中央表態(tài)，量子科技已成為國家戰(zhàn)略

量子科技有多重要？從國家對其的重視程度就可以看出。

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10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習。

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領導人在主持學習時指出，要充分認識推動量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢，下好先手棋。

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同時，領導人的講話中還從政策、資金、人才、科研、技術(shù)等方面，對大力推動量子科技發(fā)展做出了更進一步的要求：

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這也意味著，繼區(qū)塊鏈之后，量子科技這一前沿科技也成為國家戰(zhàn)略，得到中央層面的大力支持，成為中國增強在科技領域國際核心競爭力的一步「先手棋」。

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在11月初發(fā)布的十四五規(guī)劃建議中，量子科技再次成為中央重點規(guī)劃的戰(zhàn)略性技術(shù)之一。

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「建議」指出：「要瞄準人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學等前沿領域，實施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項目?！?/p>

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量子科技被排在了第2位，足見其在國家戰(zhàn)略層面的重要性。

該成果牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，為未來實現(xiàn)可解決具有重大實用價值問題的規(guī)?；孔幽M機奠定了技術(shù)基礎。

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此外，基于「九章號」量子計算原型機的高斯玻色取樣算法在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用，將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。