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近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽(yáng)、劉乃樂(lè)等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建了255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”，再度刷新了光量子信息的技術(shù)水平和量子計(jì)算優(yōu)越性的世界紀(jì)錄。
科研人員設(shè)計(jì)時(shí)空解復(fù)用的光子探測(cè)新方法，構(gòu)建高保真度的準(zhǔn)光子數(shù)可分辨探測(cè)器，提升了光子操縱水平和量子計(jì)算復(fù)雜度。根據(jù)公開正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典精確采樣算法，“九章三號(hào)”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號(hào)”提升一百萬(wàn)倍?！熬耪氯?hào)”在百萬(wàn)分之一秒時(shí)間內(nèi)所處理的最高復(fù)雜度的樣本，需要當(dāng)前最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”花費(fèi)超過(guò)二百億年的時(shí)間。這一成果進(jìn)一步鞏固了我國(guó)在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位。
△實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
量子計(jì)算是后摩爾時(shí)代的一種新的計(jì)算范式，它在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，可望通過(guò)特定量子算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問(wèn)題方面相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。因而，研制量子計(jì)算機(jī)是當(dāng)前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。
為此，國(guó)際學(xué)術(shù)界制定了三步走的發(fā)展路線。其中，第一步是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，即通過(guò)對(duì)近百個(gè)量子比特的高精度量子調(diào)控，對(duì)特定問(wèn)題的求解展現(xiàn)超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的算力。同時(shí)，在此過(guò)程中，發(fā)展出可擴(kuò)展的量子調(diào)控技術(shù)，為具備容錯(cuò)能力的通用量子計(jì)算機(jī)的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)。
2020年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建76光子的“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)，首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)光學(xué)體系的“量子計(jì)算優(yōu)越性”，并克服了谷歌實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。2021年，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號(hào)”和56比特的“祖沖之二號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)，使我國(guó)成為唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩種技術(shù)路線都達(dá)到了“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國(guó)家。
△光量子計(jì)算的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)
通過(guò)一系列創(chuàng)新，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)255個(gè)光子的操縱能力，極大地提升了光量子計(jì)算的復(fù)雜度，處理高斯玻色取樣的速度比“九章二號(hào)”提升了一百萬(wàn)倍。在構(gòu)建“九章”系列光量子計(jì)算原型機(jī)的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)還揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系，完成對(duì)稠密子圖等兩類具有實(shí)用價(jià)值的圖論問(wèn)題的求解，相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)精確模擬的速度快1.8億倍。此外，又在國(guó)際上首次演示了無(wú)條件的多光子量子精密測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)。
