前言：

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。

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? [九章三號(hào)]問(wèn)世，刷新量子計(jì)算優(yōu)越性紀(jì)錄

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)浙江東陽(yáng)籍科學(xué)家潘建偉、陸朝陽(yáng)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，宣布成功構(gòu)建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。

近日，國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表該成果。

在求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問(wèn)題時(shí)，[九章三號(hào)]比上一代[九章二號(hào)]提升100萬(wàn)倍，比目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)[前沿]（Frontier）快一億億倍。

科研人員設(shè)計(jì)了時(shí)空解復(fù)用的光子探測(cè)新方法，構(gòu)建了高保真度的準(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。

[九章三號(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](Frontier)花費(fèi)超過(guò)二百億年的時(shí)間。

中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)在理論上首次發(fā)展了包含光子全同性的新理論模型，實(shí)現(xiàn)了更精確的理論與實(shí)驗(yàn)的吻合。

同時(shí)，發(fā)展了完備的貝葉斯驗(yàn)證和關(guān)聯(lián)函數(shù)驗(yàn)證，全面排除了所有已知的經(jīng)典仿冒算法，為量子計(jì)算優(yōu)越性提供了進(jìn)一步數(shù)據(jù)支撐。

在技術(shù)上，研制了基于光纖時(shí)間延遲環(huán)的超導(dǎo)納米線探測(cè)器，把多光子態(tài)分束到不同空間模式并通過(guò)延時(shí)把空間轉(zhuǎn)化為時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)光子數(shù)可分辨的探測(cè)系統(tǒng)。

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舉例：巨大迷宮一秒找到最短出口路徑

我們可以通過(guò)一個(gè)形象化的示例來(lái)闡述這個(gè)問(wèn)題。設(shè)想我們身處一個(gè)巨大的迷宮之中，這個(gè)迷宮有著無(wú)數(shù)的路徑和分支點(diǎn)。

我們的任務(wù)是找到從入口到出口的最短路徑。

若是采用傳統(tǒng)的搜索策略，逐一嘗試每一條可能的路徑，那么可能需要耗費(fèi)數(shù)百甚至數(shù)千年的時(shí)間來(lái)尋找這個(gè)答案。

然而，如果我們引入[九章三號(hào)]這一工具，情況就會(huì)大為改觀。

它能夠在短短一秒鐘內(nèi)，給出從入口到出口的最短路徑。

更重要的是，它還能夠列出所有可能的路徑，并對(duì)每一條路徑的可能性進(jìn)行精確的評(píng)估。

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三次迭代成果，兩條路線腿均邁進(jìn)前沿

[九章]系列的命名起源于中國(guó)的古代著名數(shù)學(xué)書(shū)籍九章算術(shù)，又因?yàn)閿?shù)學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)，因此九章系列代表著承上啟下，代表了中國(guó)古代科學(xué)成就的同時(shí)展望了未來(lái)。

2020年，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)[九章]。

處理高斯玻色取樣問(wèn)題的速度比當(dāng)時(shí)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快100萬(wàn)億倍，使中國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)[量子優(yōu)越性]的國(guó)家。

2021年，他們進(jìn)一步成功研制113個(gè)光子的[九章二號(hào)]和66比特的[祖沖之二號(hào)]量子計(jì)算原型機(jī)。

使中國(guó)成為唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩條技術(shù)路線都實(shí)現(xiàn)[量子優(yōu)越性]的國(guó)家。

而[九章三號(hào)]則將光子數(shù)提升到了255個(gè)，輸出態(tài)空間維度達(dá)到了10的43次方。

根據(jù)公開(kāi)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。

這意味著我國(guó)在光量子計(jì)算領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，展示了中國(guó)科技創(chuàng)新和自主研發(fā)的強(qiáng)大能力和信心。

光學(xué)和超導(dǎo)兩條路線，各具優(yōu)勢(shì)同步發(fā)展

[九章]系列屬于光量子計(jì)算機(jī)，這是一種基于光子（光的粒子）作為載體和操縱對(duì)象的量子計(jì)算機(jī)。

光量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)在于，光子具有很好的相干性和穩(wěn)定性，不易受外界干擾，可以保持較長(zhǎng)時(shí)間量子疊加態(tài)；

光子可以實(shí)現(xiàn)高效率和高精度的單光子源、單光子探測(cè)器、多光子干涉等關(guān)鍵技術(shù)；光子可以方便地與其他物理系統(tǒng)進(jìn)行耦合和交換信息，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)的量子網(wǎng)絡(luò)和通信。

而超導(dǎo)量子計(jì)算也有其長(zhǎng)處——量子比特可控性強(qiáng)、拓展性良好、可依托現(xiàn)有成熟的集成電路工藝。

但劣勢(shì)也很明顯：為保障退相干時(shí)間，超導(dǎo)量子比特必須在接近絕對(duì)零度的真空環(huán)境下運(yùn)行，這就必須依賴強(qiáng)大的低溫制冷系統(tǒng)。

如果室溫超導(dǎo)技術(shù)獲得實(shí)質(zhì)性突破，超導(dǎo)量子計(jì)算將有望迎來(lái)爆發(fā)性的大發(fā)展。

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結(jié)尾：

量子計(jì)算優(yōu)越性的研究是一個(gè)復(fù)雜而富有挑戰(zhàn)性的工作，量子計(jì)算硬件與經(jīng)典算法之間存在著長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)。

美國(guó)、加拿大、歐洲等國(guó)都在爭(zhēng)相開(kāi)展量子計(jì)算的研究，但中國(guó)成功研制[九章三號(hào)]量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)引領(lǐng)了全球光量子計(jì)算領(lǐng)域發(fā)展。

未來(lái)，量子計(jì)算機(jī)將變得更加強(qiáng)大，同時(shí)更加便攜化，這將使其在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

同時(shí)，全球的合作與競(jìng)爭(zhēng)也將不斷激發(fā)新的突破。

編輯：黃飛

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