12月4日 ， 中国科学技术大学宣布该校潘建伟、陆朝阳等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 ， 成功构建76个光子的量子计算原型机“九章” ， 实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解 。
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中国团队首次突破量子优越性门槛
“九章”求解数学算法高斯玻色取样只需200秒 ， 而目前世界最快的超级计算机要用6亿年 。 这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家 。 将该量子计算机原型命名为“九章” ， 是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》 。
这项研究成果12月4日在线发表在《科学》杂志上 ， 论文标题为“使用光子的量子计算优势”（quantum computational advantage using photons） ， 通讯作者是中科大潘建伟教授 。
“根据现有理论 ， 该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍 ， 也就是说九章一分钟完成的任务 ， 超级计算机需要一亿年 。 等效地 ， 其速度比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机悬铃木快一百亿倍 。 ”中科大在一份声明中表示 。
业内认为 ， “九章”的出色表现 ， 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 。
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 。 2017年 ， 该团队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 ， 团队进一步研制了确定性偏振、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” 。
“量子优越性像个门槛 ， 是指当新生的量子计算原型机 ， 在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机 ， 就证明其未来有多方超越的可能 。 ”中科大教授陆朝阳说 ， “多年来国际学界高度关注、期待这个里程碑式转折点到来 。 ”
量子计算和经典计算的动态竞争
《科学》杂志审稿人评价该工作是“一个最先进的实验”和“一个重大成就” 。 研究人员预计潘建伟团队的这项工作能够提升经典算法模拟方面的工作 ， 不过同时指出量子优越性实验并不是一蹴而就的 ， 而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争 ， 但最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力 。
量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力 ， 有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 ， 相比经典计算机实现指数级别的加速 。 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 ， 也是欧美发达国家角逐的焦点 。
去年9月 ， 美国谷歌公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木” ， 对一个数学算法的计算只需200秒 ， 并宣称相较于当时世界最快的超级计算机“顶峰”实现了“量子优越性” 。
不过谷歌的这项工作也引发了争议 。 量子计算和经典计算的竞争是一个长期的动态过程 ， 虽然人们操纵量子比特的数量和精准度在不断提升 ， 但是经典计算的算法和硬件也在不断优化 ， 超算工程的潜力更是不可小觑 。
在国际上 ， 业内公认量子计算机有三个指标性的发展阶段 ， 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 ， 超越经典计算机实现“量子计算优越性”的里程碑 ， 这也是“九章”取得的第一个阶段性的胜利 。
“九章”也为量子计算机下一阶段的发展奠定了基础 。 第二阶段科学家需要致力于研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机 ， 用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题 ， 比如量子化学、新材料设计、优化算法等 。 而“九章”量子计算原型机所完成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 。
部分制药行业高管预估 ， 量子模拟可将药物发现率提高5%到10% ， 并节省15%到20%的研发时间 。 与此同时 ， 他们还认为更优的分子设计将推动药物审批效率 。 波士顿咨询（BCG）预测 ， 到2030年 ， 在制药行业 ， 量子计算市场规模将达200亿美元 ， 化学、材料科学等科技密集型产业的规模将达70亿美元 。
最后一个阶段 ， 是大幅度提高可操纵的量子比特数目和精度 ， 研制可编程的通用量子计算原型机 。 BCG预计 ， 第二阶段和第三阶段量子计算机发展的交界处 ， 就是量子计算超越经典计算在特定应用中的临界点 。 预计2030年之后 ， 量子计算的发展将显著加速 。 2031年到2042年 ， 量子计算机将在模拟、搜索和运算中执行高级功能 ， 实现各类商业应用 ， 对比经典计算机具有明显的优势 。
“如果三个阶段全部完成 ， 那么就意味着人类实现了量子计算机的梦想 ， 这将是人类实现第二次信息革命 ， 全面进入量子信息时代的标志 。 ”一位前中科院量子信息与量子科技创新研究院研究员对第一财经采访人员表示 。
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【光子|潘建伟团队实现“量子计算优越性”里程碑 比谷歌快一百亿倍！】文章作者
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