“九章三号”光量子计算原型机研制成功

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日前，中国科学技术大学中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队与中国科学院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章三号”，再度刷新了光量子信息的技术水平和“量子计算优越性”的世界纪录。

科研人员设计了时空解复用的光子探测新方法，构建了高保真度的准光子数可分辨探测器，提升了光子操纵水平和量子计算复杂度。根据正式公开发表的最优经典精确采样算法，“九章三号”处理高斯玻色取样的速度比上一代“九章二号”提升一百万倍。“九章三号”在百万分之一秒时间内所处理的最高复杂度的样本，需要当前最强的超级计算机“前沿”花费超过二百亿年的时间。这一成果进一步巩固了我国在光量子计算领域的国际领先地位。

量子计算是后摩尔时代的一种新的计算范式，它在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定量子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。因而，研制量子计算机是当前世界科技前沿的最大挑战之一。

为此，国际学术界制定了三步走的发展路线。其中，第一步是实现“量子计算优越性”，即通过对近百个量子比特的高精度量子调控，对特定问题的求解展现超级计算机无法比拟的算力。“量子计算优越性”实验还可用于检验计算科学的“扩展的丘奇-图灵论题”。同时，在此过程中，发展出可扩展的量子调控技术，为具备容错能力的通用量子计算机的研制提供技术基础。

2020年，中国科大团队成功构建76光子的“九章”光量子计算原型机，首次在国际上实现光学体系的“量子计算优越性”。2021年，中国科大团队进一步成功研制了113光子的可相位编程的“九章二号”和“祖冲之二号”量子计算原型机，使我国成为唯一在光学和超导两种技术路线都达到了“量子计算优越性”的国家。

此次中国科大团队在理论上首次发展了包含光子全同性的新理论模型，实现了更精确的理论与实验的吻合；同时，发展了完备的贝叶斯验证和关联函数验证，全面排除了所有已知的经典仿冒算法，为“量子计算优越性”提供了进一步的数据支撑。在技术上，研制了基于光纤时间延迟环的超导纳米线探测器，把多光子态分束到不同空间模式并通过延时把空间转化为时间，实现了准光子数可分辨的探测系统。这一系列创新使得研究团队首次实现了对255个光子的操纵能力，极大地提升了光量子计算的复杂度。

在构建“九章”系列光量子计算原型机的基础上，中国科大研究团队进一步揭示了高斯玻色取样和图论之间的数学联系，完成对稠密子图和Max-Haf两类具有实用价值的图论问题的求解，相比经典计算机精确模拟的速度快1.8亿倍。此外，又在国际上首次演示了无条件的多光子量子精密测量优势。

责任编辑：王振华