中国“九章”问世！速度超谷歌“悬铃木”100亿倍

北京时间12月4日，国际学术期刊《Science》刊发了中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队的一项重磅研究成果：

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子100个模式的量子计算原型机“九章”（命名为“九章”是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》），实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。

2019年9月，美国谷歌公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学算法的计算只需200秒，而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需2天，实现了“量子优越性”。

实验显示，当求解5000万个样本的高斯玻色取样时，“九章”需200秒，而目前世界最快的超级计算机“富岳”需6亿年。

等效来看，“九章”的计算速度比“悬铃木”快100亿倍，并弥补了“悬铃木”依赖样本数量的技术漏洞。

据悉，潘建伟团队这次突破历经20年，主要攻克高品质光子源、高精度锁相、规模化干涉三大技术难题。“比如说，我们每次喝下一口水很容易，但每次喝下一个水分子很困难。”潘建伟说，光子源要保证每次只放出1个光子，且每个光子一模一样，这是巨大挑战。同时，锁相精度要在10的负9次方以内，相当于100公里距离的传输误差不能超过一根头发直径。

与通用计算机相比，“九章”还只是“单项冠军”。但其超强算力，在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用价值。

图(1) “九章”量子计算原型机光路系统原理图

左上方激光系统产生高峰值功率飞秒脉冲；左方25个光源通过参量下转换过程产生50路单模压缩态输入到右方100模式光量子干涉网络; 最后利用100个高效率超导单光子探测器对干涉仪输出光量子态进行探测。

制图：陆朝阳，彭礼超

这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性（国外也称之为“量子霸权”），并牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。

《科学》杂志审稿人评价该工作是“一个最先进的实验”（astate-of-the-artexperiment），“一个重大成就”（a major achievement）。研究人员希望这个工作能够激发更多的经典算法模拟方面的工作，也预计将来会有提升的空间。量子优越性实验并不是一个一蹴而就的工作，而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争，但最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力。

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“九章”真面目！

来看看量子力学支配下的光学魅影。

国外行业专家评价

中国科学技术大学新闻中心在调研专家库的基础上，就这个工作以视频或者文字的形式采访了多位国外相关领域的教授，包括多位沃尔夫奖获得者，美国科学院院士等资深专家。看看专家们如何评价？

德国马普所所长 沃尔夫奖得主 富兰克林奖章得主Ignacio Cirac：

总体来说，这是量子科技领域的一个重大突破，朝着研制相比经典计算机具有量子优势的量子设备迈出了一大步。我相信这项成果背后付出了巨大的技术努力。潘教授的团队在世界上独一无二的，他们产生了包括这个实验在内的很多重大成果。

奥地利科学院院长 沃尔夫奖得主 美国科学院院士Anton Zeilinger：

这项工作成果很重要，因为潘建伟和他的同事证明，基于光子（光的粒子）的量子计算机也可能实现“量子计算优越性”。我预测很有可能有朝一日量子计算机会被广泛使用。甚至每个人都可以使用。

麻省理工学院副教授 美国青年科学家总统奖得主 斯隆奖得主Dirk Englund：

这是一个划时代的成果。这是一个了不起的成就。这是开发这些中型量子计算机的里程碑。

维也纳大学教授 美国物理学会会士Philip Walther：

他们在实验中拿到了目前最强经典计算机万亿年才能给出的计算结果，为量子计算机的超强能力给出了强有力的证明。

加拿大卡尔加里大学教授 量子科学和技术研究所所长Barry Sanders：

我认为这是一项杰出的工作，改变了当前的格局( it’s the game changer)。我们一直努力证明量子信息处理可以战胜经典的信息处理。这个实验使经典计算机望尘莫及。

去年，谷歌取得了一项巨大的成果，即量子计算优越性，但这是有争议的。谷歌的结果是，他们拥有一台量子计算机，其性能比其他任何经典计算机都要好。然后，IBM对此提出相反的论点：他们并未完全实现。质疑是否真正的达到了量子计算优越性。

这个实验（潘建伟院士团队的实验）不存在争论，毫无疑问，该实验取得的结果远远超出了传统机器的模拟能力。

我想说的是，这个实验技术挑战非常巨大。为了获得此结果，他们必须解决许多非常困难的技术问题。仅仅在技术层面上，他们所取得的成就也令人印象深刻。这是人们梦寐以求的实验，他们做成了，让梦想走进现实。

昆士兰大学教授Tim Ralph：

我相信潘教授和陆教授团队的论文是一个重大突破。这是一个真正的“英雄”实验，将实验各个方面的技术推进到远远超过以前的水平。该设备的规模是非凡的：100模式干涉仪、25个压缩器提供输入的量子态、使用100个单光子探测器进行探测，并且实现了同时保持高效率，稳定性和量子不可分辨性——这都是展示量子计算优越性所必须的。

美国科学院院士 沃尔夫奖得主 狄拉克奖章得主Peter Zoller：

利用量子器件来解决日益复杂的问题并体现量子优势是量子科学前沿中的最重要问题之一。陆朝阳、潘建伟和同事们基于光子进行的高斯玻色子采样实验，无论是在量子系统的大小和扩展性方面，还是在实际应用的前景方面，都把研究水平提升到了一个新的高度。

瑞典皇家理工学院教授Val Zwiller：

著名的中国科学技术大学团队报道的量子计算优越性的工作为量子科学树立了一个新的重要里程碑，因为一个重要的量子优势清楚地证明了其量子处理器的表现远远优于超级计算机。为了实现这一目标，他们克服了重大的技术挑战，从而产生、操纵和探测非常大尺度的光量子态。

美国耶鲁大学教授 布鲁克海文国家实验室量子优势合作设计中心主任 美国艺术和科学院院士 巴克莱奖获得者Steven Girvin：

这是一个极其困难的，需要付出很大的努力来完善的工作。对此我印象非常深刻，我认为这是我们控制量子系统能力的重要技术进步。

英国剑桥大学教授 英国物理学会托马斯.杨奖章获得者Mete Atature：

对于量子计算这个蓬勃发展的领域来说，这确实是一个惊艳的时刻。陆教授和潘教授的这一成就将光子和以基于光子的量子技术置于世界舞台中央。通过这项工作，我们进入了量子技术应用的时代，与传统方法相比，我们取得了可触及的优越性。

全球量子计算布局一览

量子信息凭借其高并行速度和绝对安全性，被赋予了引领人类第四次科技革命的可能性。各国为了抢占量子科技领域未来的国际话语权，纷纷出台相关政策和提供资金来大力推进量子信息技术的发展。

德国

2020年7月，德国联邦教育与研究部部长卡利切克（AnjaKarliczek）表示，德国将于2021年拥有首台量子计算机。6月初，德国政府加码投资20亿欧元发展量子技术，希望在担任欧盟轮值主席国期间，把量子计算机相关议题纳入未来欧盟的科研框架，进一步推动欧洲在这一关键技术上加速发展。

此前，2019年8月，在德国总理默克尔（AngelaDorotheaMerkel）的支持下，美国IBM公司与德国弗劳恩霍夫协会（FraunhoferSociety）宣布发起德国量子计划。IBM将在德国斯图加特附近的IBM计算机中心内安装一台IBMQSystemOne量子计算机，并与弗劳恩霍夫协会合作，建立欧洲量子计算研究的主要枢纽。其中，德国政府将为此投入6.5亿欧元，帮助完成量子技术从基础研究走向市场应用的过渡。

法国

法国已将量子计算视为“主要关注领域”，其量子技术国家战略计划提出，2021年起法国国家研究局（ANR）的“量子技术中心”实施AAPR专项，每年超1000万欧元，并在巴黎、萨克雷和格勒三个城市和地区创建三个“枢纽中心”，以支持涉及量子通信专家、网络安全专家和电信设备制造商的QKD技术的研究。

2020年1月，法国国会议员PaulaForteza向国会提交了一份长达68页的议案，呼吁制定法国的量子技术国家战略，建议五年内投资14亿欧元，支持量子技术发展，如发起20个技术项目，年度预算不少于1000万欧元；到2024年，法国境内创建50家量子初创公司；建立3亿至5亿欧元的后期投资基金等。

英国

2013年，时任英国财政大臣George Osborne发起了2.7亿英镑的英国国家量子技术计划（National Quantum Technologies Programme），该计划在牛津大学、伯明翰大学、约克大学和格拉斯哥大学建立了四个量子技术中心。2015年，发布了《量子技术国家战略》和《英国量子技术路线图》，将量子技术发展提升至影响未来国家创新力和国际竞争力的重要战略地位。

随后，2016年12月，英国政府科学办公室发布量子技术报告《量子技术：时代机会》，提出建立一个政府、产业、学界之间的量子技术共同体，帮助英国在未来的量子技术市场中抢占先机。

2019年6月，时任英国首相特雷莎·玛丽·梅（TheresaMaryMay)宣布将大力投资量子计算的发展，政府将投资1.53亿英镑用于发展量子计算，而全球公司承诺在英国投资超过10亿英镑，总投资超过12亿英镑。

荷兰

对于量子技术，荷兰计划在未来10年内向QuTech投资1.35亿欧元，QuTech是由荷兰台夫特理工大学（TUDelft）与荷兰应用科学研究组织（NetherlandsOrganizationforAppliedScientificResearch，TNO）共同成立的一家量子技术研究所，旨在加速全栈量子计算系统的研发。

2020年4月，荷兰部长IngridvanEngelshoven和欧盟事务专员MariyaGabriel共同推出了欧洲第一个公共量子计算平台——QuantumInspire。据悉，该平台主要侧重于教育、培训以及应用程序的开发，可以让所有人都能访问世界上第一个使用由可伸缩“自旋量子比特”（SpinQubits）制成的量子处理器。

俄罗斯

2019年12月，俄罗斯副总理马克西姆·阿基莫夫（MaximAkimov）提出国家量子行动计划，计划5年内投资约7.9亿美元打造一台实用的量子计算机，并希望在实用量子技术领域赶上其他国家。此前，2018年，俄罗斯前景研究基金科技委员会批准于2018-2021年在俄罗斯发展量子计算机的项目，该项目将分阶段逐步实施，其中，莫斯科大学已正在前景研究基金的支持下启动项目“实体”部分的研制。

另外，俄罗斯铁路公司计划在2024年前部署10000公里的量子网络，计划投资总额为247亿卢布（约23亿人民币）。目前，俄罗斯国家运营商Rostelecom在该项目的框架下部署了光纤线路。

韩国

韩国于2014年发布《量子信息通信中长期推进战略》，希望在2020年成为全球量子通信领先国家。

2019年1月，韩国科学和信息通信技术部（MSIT）宣布，其量子计算技术开发项目与2019年的下一代信息计算技术开发项目已经完成并准备启动。并将在未来五年内，将投入445亿韩元（约4000万美元）用于开发量子计算机硬件、量子计算新构架、量子算法、基础设施等核心技术。其中2019年，会投入60亿韩元（约540万美元）。通过量子计算关键技术的发展，政府计划到2023年完成实用五量子比特（量子比特信息单元）量子计算机系统的演示，其可靠性超过90％。

另外，韩国的研究计划将确保量子计算的核心技术并建立一个国内研究生态系统。

日本

2013年，日本成立量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构，计划未来10年投入400亿日元（约3.77亿美元）在量子信息技术的研发。

2019年11月，日本政府规划了以量子技术研究开发战略为支柱的路线图，其中，关于性能优于超级计算机的量子计算机，计划在10年后开发出计算的基本单位（量子位）数量达到100个的机型。

同时，为了推动量子技术的发展，日本政府计划在2020年成立负责整体管理与协调的主管机构，在8个领域建立核心研发基地，并在5年内不断完善量子计算研发体系。

美国

除2002年美国国防部高级研究计划局（DARPA）制定的《量子信息科学与技术规划》外，2008年，DARPA斥巨资启动名为“微型曼哈顿计划”的半导体量子芯片研究计划，将量子计算研究列为与原子弹研制同等重要的高度。2018年6月，美国众议院科学委员会高票通过《国家量子倡议法案》，计划在10年内拨给能源部、国家标准与技术研究所和国家科学基金12.75亿美元，推动量子科学发展。

2018年12月，美国总统特朗普签署了美国国会提交的《国家量子计划法案》，落实“国家量子计划”正式成为美国法律，为美国加速量子科技的研发与应用，夺取战略性领先优势提供了立法保障。

2020年4月，根据美国最新国会审议的预算，特朗普政府将2021年科研经费整体削减了近10%，但量子信息科学的开支却增加约20%至2.37亿美元，其中，能源部要求2500万美元来加速量子互联网的发展。如果获得国会批准，将为推动量子互联网发展提供重要资金基础。

中国

在中国，量子技术被视为国家战略性产业，其发展受到了国家战略、技术、产业、工程建设等多个方面政策的支持，出现在了《十三五国民经济和社会发展规划》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等重要的国家规划中。

此外，中国先后推出“自然科学基金”、“863”计划和重大专项等来支持量子信息的研究和应用。2018年5月的两院院士大会上，习近平强调“以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区块链为代表的新一代信息技术加速突破应用”，量子信息的战略地位得到进一步肯定。

 

责任编辑：姚治