“九章三號”光量子計算原型機成果研製成功

日前，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、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊與中國科學院上海微系統所、國家並行電腦工程技術研究中心合作，成功構建了255個光子的量子計算原型機“九章三號”，再度刷新了光量子資訊的技術水準和“量子計算優越性”的世界紀錄。

科研人員設計了時空解復用的光子探測新方法，構建了高保真度的準光子數可分辨探測器，提升了光子操縱水準和量子計算複雜度。根據正式公開發表的最優經典精確採樣演算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號”提升一百萬倍。“九章三號”在百萬分之一秒時間內所處理的最高複雜度的樣本，需要當前最強的超級電腦“前沿”花費超過二百億年的時間。這一成果進一步鞏固了我國在光量子計算領域的國際領先地位。

量子計算是後摩爾時代的一種新的計算範式，它在原理上具有超快的並行計算能力，可望通過特定量子演算法在一些具有重大社會和經濟價值的問題方面相比經典電腦實現指數級別的加速。因而，研製量子電腦是當前世界科技前沿的最大挑戰之一。

為此，國際學術界制定了三步走的發展路線。其中，第一步是實現“量子計算優越性”，即通過對近百個量子比特的高精度量子調控，對特定問題的求解展現超級電腦無法比擬的算力。“量子計算優越性”實驗還可用於檢驗計算科學的“擴展的丘奇-圖靈論題”。同時，在此過程中，發展出可擴展的量子調控技術，為具備容錯能力的通用量子電腦的研製提供技術基礎。

2020年，中國科大團隊成功構建76光子的“九章”光量子計算原型機，首次在國際上實現光學體系的“量子計算優越性”。2021年，中國科大團隊進一步成功研製了113光子的可相位編程的“九章二號”和“祖衝之二號”量子計算原型機，使我國成為唯一在光學和超導兩種技術路線都達到了“量子計算優越性”的國家。

此次中國科大團隊在理論上首次發展了包含光子全同性的新理論模型，實現了更精確的理論與實驗的吻合；同時，發展了完備的貝葉斯驗證和關聯函數驗證，全面排除了所有已知的經典倣冒演算法，為“量子計算優越性”提供了進一步的數據支撐。在技術上，研製了基於光纖時間延遲環的超導奈米線探測器，把多光子態分束到不同空間模式並通過延時把空間轉化為時間，實現了準光子數可分辨的探測系統。這一系列創新使得研究團隊首次實現了對255個光子的操縱能力，極大地提升了光量子計算的複雜度。

在構建“九章”系列光量子計算原型機的基礎上，中國科大研究團隊進一步揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數學聯繫，完成對稠密子圖和Max-Haf兩類具有實用價值的圖論問題的求解，相比經典電腦精確模擬的速度快1.8億倍。此外，又在國際上首次演示了無條件的多光子量子精密測量優勢。（記者 常河 丁一鳴）