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原型机 碾压谷歌＂量子霸权＂！中国量子计算原型机 ＂九章＂ 问世，比超级计算机快百万亿倍

在量子计算领域，我国再次实现了里程碑式的重大突破！
12 月 4 日，中国科学技术大学宣布，该校中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了 76 个光子 100 个模式的量子计算原型机 “九章”。
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（Quantum Computational Advantage，国外也称之为“Quantum Supermacy”）。
值得一提的是，相关的论文已经于 12 月 3 日在线发表在国际知名的学术期刊《Science》上。
原型机 碾压谷歌＂量子霸权＂！中国量子计算原型机 ＂九章＂ 问世，比超级计算机快百万亿倍
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比当前最快超级计算机，快一百万亿倍那么，量子计算原型机 "九章" 有多牛呢？
按官方说法，根据现有理论，该量子计算系统处理高斯玻色取样（Gaussian Boson Sampling）的速度，比目前世界上最快的超级计算机快一百万亿倍。
据《知识分子》报道，“高斯玻色采样” 是一种复杂的采样计算，其计算难度呈指数增长，很容易超出目前超级计算机的计算能力，适合量子计算机来探索解决。它是 “玻色采样” 问题的一种，而玻色采样问题是量子信息领域第一个在数学上被严格证明可以用来演示量子计算加速的算法。
实验显示，当求解 5000 万个样本的高斯玻色取样时，“九章”需 200 秒，而目前世界最快的超级计算机“富岳”需 6 亿年。
不仅如此，"九章" 的表现，也远远超过了 Google 去年发布的量子计算成果。
雷锋网了解到，2019 年 9 月，Google 宣布实现量子优越性，具体来说，Google 在一台 53 比特的量子计算机上仅用 3 分 20 秒便完成了在超级计算机上需要一万年的计算。当时，这被认为是量子计算领域的一次巨大突破，一些圈内人士纷纷表示 「或将迎来下一波科技浪潮」。
原型机 碾压谷歌＂量子霸权＂！中国量子计算原型机 ＂九章＂ 问世，比超级计算机快百万亿倍
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然而，从最新的数据来看，"九章" 的速度比去年 Google 发布的 53 个超导比特量子计算原型机“悬铃木”（sycamore）快 100 亿倍——这也说明，我国量子计算机算力已经实现全球领先。
同时，"九章" 通过高斯玻色取样证明的量子计算优越性不依赖于样本数量，克服了 Google 53 比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。“九章”输出量子态空间规模达到了 10 的 30 次方（“悬铃木”输出量子态空间规模是 10 的 16 次方，目前全世界的存储容量是 10 的 22 次方）。
总体来看，该成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。
此外，基于“九章”量子计算原型机的高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。
"九章" 是如何构建的？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。
为什么量子计算机这么重要？
据了解，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。
需要说明的是，中国科学技术大学潘建伟团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平。
比如说，早在 2017 年，该团队就已经构建了世界首台超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机，2019 年，团队研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，实现了 20 光子输入 60 模式干涉线路的玻色取样，输出复杂度相当于 48 个量子比特的希尔伯特态空间，逼近了“量子计算优越性”。
这一次，该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 10-9 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。
原型机 碾压谷歌＂量子霸权＂！中国量子计算原型机 ＂九章＂ 问世，比超级计算机快百万亿倍
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该原型机被命名为 “九章”，这一命名是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。
不过，需要说明的是，其中，量子计算机发展分为三个阶段，其中第一个阶段是发展具备 50-100 个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。

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