“祖沖之2.0”“九章2.0”問世 我國在兩種物理體系實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性
本報(bào)合肥10月26日電(記者常河、丁一鳴 通訊員桂運(yùn)安)10月25日，著名物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》同時(shí)發(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的兩篇論文，文章表明，隨著66比特的可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”(也稱“祖沖之2.0”)的研制成功和113個(gè)光子144模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號(hào)”(也稱“九章2.0”)的構(gòu)建，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)量子和光量子兩種系統(tǒng)的量子計(jì)算方面取得重要進(jìn)展，這也意味著我國成為目前世界上唯一在兩種物理體系達(dá)到量子計(jì)算優(yōu)越性里程碑的國家。
記者獲悉，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、朱曉波、彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，與中科院上海技術(shù)物理研究所合作，構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了對“量子隨機(jī)線路取樣”任務(wù)的快速求解。根據(jù)現(xiàn)有理論，“祖沖之二號(hào)”處理的量子隨機(jī)線路取樣問題的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快7個(gè)數(shù)量級(jí)，計(jì)算復(fù)雜度比谷歌公開報(bào)道的53比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)，這一成果是我國繼光量子計(jì)算原型機(jī)“九章”后在超導(dǎo)量子比特體系首次達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑。
1981年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼提出了量子計(jì)算機(jī)構(gòu)想，如何把“構(gòu)想”變成現(xiàn)實(shí)一直是科學(xué)家們的夢想。目前，量子計(jì)算已被認(rèn)為可能是下一代信息革命的關(guān)鍵技術(shù)，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(huì)問題。因此，研制量子計(jì)算機(jī)成為世界科技前沿重大挑戰(zhàn)。
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只需要200秒，比超級(jí)計(jì)算機(jī)快100萬億倍，使中國成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”(也稱“量子霸權(quán)”)的國家。
今年以來，潘建偉團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列概念和技術(shù)創(chuàng)新，于近期成功研制出“九章二號(hào)”。
“我們主要有三大突破，首先顯著提高了量子光源的產(chǎn)率、品質(zhì)和收集效率，將光源關(guān)鍵指標(biāo)從63%提升到92%。其次，將多光子量子干涉線路從100維度增加到144維度，操縱的光子數(shù)從76個(gè)增加到113個(gè)。再次，新增了可編程功能�！毖芯繄F(tuán)隊(duì)成員、中科大教授陸朝陽說。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，“九章二號(hào)”的算力實(shí)現(xiàn)了巨大提升。根據(jù)目前已發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典算法，“九章二號(hào)”求解高斯玻色取樣問題的處理速度，比全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快億億億倍(10的24次方倍)，比“九章”快100億倍�！熬耪露�(hào)”1毫秒可算出的問題，全球“最快超算”需30萬億年。
“目前的‘九章二號(hào)’還只是‘單項(xiàng)冠軍’，但其超強(qiáng)算力在圖論、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值�！标懗栒f，“未來的通用型量子計(jì)算機(jī)有望在密碼破譯、天氣預(yù)報(bào)、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等領(lǐng)域發(fā)揮作用�！�
而同期另一篇論文表明，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)方法，構(gòu)建了113個(gè)光子144模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號(hào)”，并實(shí)現(xiàn)了相位可編程功能，完成了對用于演示“量子計(jì)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)有理論，“九章二號(hào)”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快1024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(jì)算加速的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
基于光子的玻色取樣和基于超導(dǎo)比特的隨機(jī)線路取樣是實(shí)驗(yàn)展示量子計(jì)算優(yōu)越性的兩個(gè)重要方案。潘建偉團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算原型機(jī)。2019年，團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，逼近了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。
今年，該團(tuán)隊(duì)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(jì)并實(shí)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。此外，通過三維集成和收集光路的緊湊設(shè)計(jì)，多光子量子干涉線路增加到了144維度。由此，“九章二號(hào)”探測到的光子數(shù)增加到了113個(gè)，輸出態(tài)空間維度達(dá)到了1043。通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)壓縮光的相位，研究人員進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對高斯玻色取樣矩陣的重新配置，演示了“九章二號(hào)”可用于求解不同參數(shù)數(shù)學(xué)問題的編程能力。
