潘建偉團隊研制“九章三号”光量子計算原型機，再次重新整理世界紀錄
10 月 11 日，中國科學技術大學中國科學院量子資訊與量子科技創新研究院潘建偉教授、陸朝陽教授研究團隊與中國科學院上海微系統與資訊技術研究所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，成功建構 255 個光子的量子計算原型機“九章三号”。
這一突破性的工作再度重新整理光量子資訊技術世界紀錄，在研制量子計算機的道路上邁出堅實一步。根據論文中所提及的最優算法，“九章三号”處理高斯玻色取樣數學問題的速度相比于上一代“九章二号”提升了一百萬倍，比最強的超級計算機“前沿”快一億億倍。
近日，相關論文以《利用準光子數分辨探測器的高斯玻色子采樣和量子計算優勢》（Gaussian Boson Sampling with Pseudo-Photon-Number-Resolving Detectors and Quantum Computational Advantage）為題發表于Physical Review Letters[1]。
論文共同第一作者為中國科學技術大學 Yu-Hao Deng、Yi-Chao Gu、Hua-Liang Liu、Si-Qiu Gong、Hao Su，共同通訊作者為陸朝陽教授、潘建偉教授。
（來源：見水印）
傳統通用計算機的理論模型是通用圖靈機，而通用量子計算機的理論模型則是用量子力學規律重新诠釋的通用圖靈機。
一般來說，量子計算機和傳統計算機能解決的問題并沒有本質差異。但是，由于量子力學疊加性的存在，量子計算機具備并行計算能力，通過特定的算法可以極大的提升計算效率，實作指數級别的計算加速，進而解決一些傳統計算機無法解決的、需要進行超大量計算的複雜問題，如核聚變反應堆的模拟。
是以，量子計算機一直以來都被寄予厚望，世界各國都投入了大量人力、物力進行研究，國際學術界也為此制定了“三步走”的發展路線，即驗證量子計算的優越性、在噪聲環境下的中等規模量子計算，以及可以通用化的量子計算。
圖丨研發量子計算機的“三步走”戰略（來源：Towards Data Science）
在研發量子計算機的“三步走”戰略中，目前已完成第一步，即驗證量子計算的優越性。研究人員利用近百個量子比特的高精度量子調控，然後求解特定的複雜問題，效率遠超傳統超級計算機。同時，他們也發展了可擴充的量子調控技術，這為未來研發具備容錯能力的通用量子計算機奠定了基礎。
量子計算優越性研究是一個非常重要的研究領域，一方面該研究可能能激發更多關于經典算法模拟的研究，另一方面也有可能幫助解決量子計算研究中的技術難題。
2019 年，谷歌的量子人工智能研究團隊研制出了通過 53 個超導量子比特進行計算的量子計算機，其具備非常強悍的運算能力。在針對某個特定複雜計算任務的求解上，該超導量子計算機隻需要 200 秒就可以成功完成任務，遠超當年的傳統超級計算機，這些計算機需要一萬年時間才能解決這些問題，這項研究證明了量子計算具有獨特的優勢。
圖丨谷歌公司研制的超導量子計算機（來源：谷歌）
2020 年，中國科學技術大學團隊成功建構了基于 76 光子的“九章”光量子計算原型機，驗證了光學體系的“量子計算優越性”，這是世界首次，同時成功解決了谷歌團隊實驗中量子優越性依賴于樣本數量的問題。
2021 年，中國科學技術大學團隊進一步成功研制了基于 113 光子的可相位程式設計的“九章二号”和基于 56 比特的“祖沖之二号”量子計算原型機，使中國成為唯一在光學和超導兩種技術路線都實作了“量子計算優越性”的國家。
2023 年 2 月，谷歌研究團隊将超導量子計算系統擴充到 72 個量子比特，且證明了量子糾錯方案的可行性。
2023 年 3 月，南方科技大學、清華大學和福州大學的聯合團隊通過利用實時重複的量子糾錯技術，在國際上首次降低了量子比特的錯誤率，進而延長了量子比特的存儲時間，相關論文以《以一個離散變量編碼的邏輯量子比特來打破平衡點》（Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit）為題發表在 Nature 上[2]，這是中國團隊在基于超導量子計算的量子糾錯領域取得突破性進展的工作。
中國科學技術大學研究團隊通過設計時空解複用的光子探測新方法，成功建構了高保真度的準光子數可分辨探測器，首次實作了對 255 個光子的操縱能力，大幅度提升了光量子計算的複雜度。
在建構“九章”系列光量子計算原型機的基礎上，研究團隊還揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數學聯系，完成對稠密子圖等兩類具有實用價值的圖論問題的求解，相比經典計算機精确模拟的速度快 1.8 億倍。另外，他們還第一次示範了無條件的多光子量子精密測量優勢。
圖丨實驗裝置圖（來源：Physical Review Letters）
在實作“三步走”戰略中的第一步之後，研究人員正緻力于實作第二步，即實作在噪聲環境下的中等規模量子計算。量子計算機在實際運算過程中，可能會被因外界環境“噪聲”而使運算結果出錯。是以，為了降低噪聲環境下量子計算的錯誤率，就需要進行量子糾錯，目前研究人員正按照“三步走”戰略繼續穩步前行。
其最終目标是實作通用化的量子計算，這也是量子計算領域的聖杯。未來，量子計算機将不僅可以用于計算複雜數學問題，還可以用于藥物輔助開發、核聚變反應過程模拟等諸多領域，創造巨大的經濟價值。它有望開啟一個全新的“新資訊時代”，改變我們處理資訊的方式。
參考資料：
1.Yu-Hao Deng et al.Physical Review Letters 131, 150601（2023）.https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.150601
2.Ni, Z., Li, S., Deng, X. et al. Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit. Nature616, 56–60 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05784-4