中国骄傲丨“九章三号”量子计算原型机问世 中国研制量子计算机更进一步

【华夏经纬网综合报道】在竞争激烈的量子科技前沿，中国科学家在研制量子计算机之路上又迈出关键一步。近日，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。

国际知名学术期刊《物理评论快报》10月11日发表了这一成果。根据公开正式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100万倍，它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”(Frontier)花费超过200亿年的时间。

量子计算研究位于国际第一方阵

2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，仅用200秒就能求解算法。（图源：新华社）

作为信息科技“后摩尔时代”一种新型计算范式，量子计算在原理上具有超快并行计算能力，可通过特定算法产生超越传统计算机的算力，解决重大经济社会问题。因此，研发具有实用价值的量子计算机，一直是量子计算领域最重要的发展目标之一，也是当前世界科技前沿的兵家必争之地。

对于量子计算机的研究，该领域的国际同行公认有三个指标性的发展阶段，其中，第一阶段就是实现“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。同时，在此过程中，发展出可扩展的量子调控技术，为研制具备容错能力的通用量子计算机提供技术支撑。

2020年12月，中国科学技术大学团队成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，处理高斯玻色取样问题的速度比当时最快的超级计算机快100万亿倍，使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家，确立了中国在国际量子计算研究中的第一方阵地位。发表这一重大科研成果的《科学》杂志审稿人评价：这是“一个最先进的实验”；美国麻省理工学院教授德克·英格伦认为，这是“一个划时代的成果”。

2021年5月，中国科学技术大学团队成功研制出当时国际上量子比特数目最多的62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并实现了可编程的二维量子行走。该成果为在超导量子系统上实现“量子优越性”，以及后续研究具有重大实用价值的量子计算奠定了技术基础。

“九章二号”144模式干涉仪（部分）实验照片。（图源：中国科学技术大学）

此后不到一年，“九章”和“祖冲之”双双升级。“九章二号”操控的光子数从76个增加到113个，多光子量子干涉线路增加到144维度，极大地提高了量子优势：对于高斯玻色采样问题，“九章”一分钟完成的任务，超级计算机“富岳”需要花费一亿年来解决；“九章二号”一毫秒可以解出的问题，“富岳”需要算30万亿年。

“祖冲之二号”操控的超导比特数从62比特上升至66比特，首次达到“量子计算优越性”里程碑。其处理量子随机线路取样问题的速度，比当时最快的超级计算机快1000万倍，计算复杂度比谷歌公开报道的53比特超导量子计算原型机“悬铃木”提高了100万倍。这这一系列令人瞩目的成果，使中国成为目前世界上唯一在光学和超导两条技术路线都达到“量子计算优越性”里程碑的国家。

“九章三号”再现量子计算优越性

“九章三号”实验装置示意图。（中国科学技术大学供图）

此次“九章三号”的成功构建，是在前两代“九章”的基础上的又一次技术跃迁。中国科学技术大学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吻合；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，提供了进一步数据支撑。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。一系列创新使团队首次实现了对255个光子的操纵能力，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，研究团队还揭示了高斯玻色取样和图论之间的数学联系，完成了对稠密子图等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，还在国际上首次演示了无条件的多光子量子精密测量优势。

“九章”量子计算机光量子干涉实物图。（图源：中国科学技术大学）

据介绍，“九章三号”装置一共分为四大块：第一块是受激量子光源；第二块是超低损耗的量子光路，让多个光子之间发生“干涉”变成量子纠缠态；第三块是“九章三号”新加入的也是升级最明显的地方，叫“时空解复用的光纤环”，为的是让光子分离开，好让第四部分——超导纳米线单光子探测器能够数清楚光子具体数量，进而大幅度提高光子的操纵数量和质量。

中国科学技术大学陆朝阳教授表示，“九章三号”的成功构建主要有四方面的意义：首先是使得40年前费曼等人的梦想成为现实；第二是在“九章”发展过程中，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；第三是在激烈的国际竞争角逐中，“九章三号”的实现进一步巩固了我国在光量子计算领域的国际领先地位；最后是打开了在图论等实际问题方面的应用。

距离通用量子计算机还有多远？

2023年5月31日，中国176比特“祖冲之号”量子计算云平台正式上线，面向全球用户开放。（图源：新华社）

量子计算是一门艰深的学科，目前所做的研究不过是刚刚敲开量子科技的大门，距离最终研制成功通用量子计算机还有很长的路要走。量子计算机的计算能力随量子比特数目呈指数增长，因此量子计算研究的核心任务是多量子比特的相干操纵。根据相干操纵量子比特的规模，国际学术界公认有三个指标性的发展阶段：

第一阶段是实现“量子计算优越性”，即量子计算机对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，达到这一目标需要约50个量子比特的相干操纵。中国分别于2020年在光量子体系、2021年在超导线路体系实现了“量子计算优越性”。

第二阶段是实现专用量子模拟机，即相干操纵数百个量子比特，用于解决若干超级计算机无法胜任的实用问题，例如量子化学、新材料设计、优化算法等。达到该阶段需要5至10年，是当前的主要研究任务。

第三阶段是实现可编程通用量子计算机，即相干操纵至少数百万个量子比特，能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。由于技术上的难度，何时实现通用量子计算机尚不明确，国际学术界一般认为还需要15年甚至更长时间。

2022年9月4日，一家参展企业代表在国家网络安全宣传周网络安全博览会上介绍量子加密对讲。（图源：新华社）

值得关注的是，随着量子科技的不断突破，基于量子计算、量子通信和量子测量等量子信息技术形成的战略性新兴产业呈现出较好的发展势头。这项看似“高冷”的前沿科技，已悄然应用于不少领域。交易优化、天气预报等领域，都可能出现量子科技的更多身影。

量子计算作为一种进行高速运算、储存、处理信息的新型计算技术，将给现有经典计算机的计算能力带来质的飞跃。中国科学院量子信息重点实验室副主任、合肥本源量子计算科技有限责任公司创始人兼首席科学家郭国平表示，量子计算当前主要用于科学研究，也在探索商业化应用，其核心硬件为量子计算机整机。

启科量子首席科学家罗乐举例，量子计算在人工智能、生物医药、金融等领域都大有可为。例如，利用量子计算，能在人工智能领域加速数据处理和算法运行；利用量子计算还可以进行小分子模拟，这是生物医药领域进行药物开发的核心环节。

放眼全球，量子产业发展整体处于从基础科研与实验探索向产品研发与推广应用过渡阶段，市场处于培育期向快速成长期过渡阶段。专家认为，我国量子产业已显示出产业赛道较全、科研实力较强等特点，也有基础设施体量较大、基建能力较强等优势。面对愈发激烈的国际竞争，中国量子产业有望加速实现新突破。

(资料来源：中国科学院、新华社、人民日报、学习时报、科技日报)