200秒只是短短剎那，6億年已經是滄海桑田。12月4日，中國科學技術學院宣布該校潘建偉等人成功建立76個光子的量子估算靶機“九章”，求解物理算法高斯玻色采樣只需200秒，而目前世界最快的超級計算機要用6億年。這一突破使我國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。
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從6億年到200秒
“量子優越性像個門檻，是指當新生的量子估算截擊機，在某個問題上的估算能力超過了最強的傳統計算機，就證明其未來有多方趕超的可能。”中科大院士陸朝陽說，多年來國際學界高度關注、期待這個里程碑式轉折點到來。
今年9月，加拿大微軟公司推出53個量子比特的計算機“懸鈴木”，對一個物理算法的估算只需200秒，而當時世界最快的超級計算機“頂峰”需2天，實現了“量子優越性”。
近日，潘建偉團隊與中科院北京微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，成功打造76個光子的量子估算靶機“九章”。
實驗顯示，當求解5000萬個樣本的高斯玻色采樣時，“九章”需200秒，而目前世界最快的超級計算機“富岳”需6億年。等效來看，“九章”的估算速率比“懸鈴木”快100億倍，并填補了“懸鈴木”依賴樣本數目的技術漏洞。
此外，潘建偉團隊此次突破歷經20年，主要攻破高品質光子源、高精度鎖相、規模化干涉三大技術困局。
“比如說，我們每次喝下一哈喇子很容易，但每次喝下一個水份子很困難。”潘建偉說，光子源要保證每次只放出1個光子，且每位光子一模一樣，這是巨大挑戰。同時，鎖相精度要在10的負9次方以內，相當于100公里距離的傳輸偏差不能超過一根毛發半徑。
與通用計算機相比，“九章”還只是“單項季軍”。但其強悍算力，在數論、機器學習、量子物理等領域具有潛在應用價值。
12月4日，國際學術刊物《科學》發表了該成果，審稿人評價這是“一個最先進的實驗”、“一個重大成就”。
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邁向量子優越性的門檻
量子估算優越性（美國稱作之為“量子霸權”），量子計算機在原理上具有超快的并行估算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會和經濟價值的問題方面（如密碼破譯、大數據優化、材料設計、藥物剖析等）相比精典計算機實現指數級別的加速。
“九章”量子估算靶機光路系統原理圖
左上方激光系統形成高峰值功率皮秒脈沖；左方25個光源通過熱阻下轉換過程形成50路多模壓縮態輸入到右方100模式光量子干涉網路;最后借助100個高效率超導單光子偵測器對干涉儀輸出光量子態進行偵測。
制圖：陸朝陽，彭禮超
當前，研發量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰之一，成為歐美各發達國家爭奪的焦點。對于量子計算機的研究，本領域的國際同行公認有三個指標性的發展階段：
第一階段：發展具備50-100個量子比特的高精度專用量子計算機，對于一些超級計算機難以解決的高復雜度特定問題實現高效求解，實現估算科學中“量子估算優越性”的里程碑。
第二階段：通過對規模化多體量子體系的精確制備、操控與偵測，研發可相干操縱數百個量子比特的量子模擬機，用于解決若干超級計算機難以勝任的具有重大實用價值的問題（如量子物理、新材料設計、優化算法等）。
第三階段：通過積累在專用量子估算與模擬機的研發過程中發展上去的各類技術，提升量子比特的操縱精度使之達到能趕超量子估算嚴苛的容錯閥值（>99.9%），大幅度提升可集成的量子比特數量（百萬量級），實現容錯量子邏輯門，研發可編程的通用量子估算靶機。
潘建偉團隊仍然在光量子信息處理方面處于國際領先水平。2017年，該團隊建立了世界首臺趕超初期精典計算機（ENIAC）的光量子估算截擊機。2019年，團隊進一步研發了確定性偏振光、高含量、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實現了20光子輸入60模式干涉線路的玻色采樣，輸出復雜度相當于48個量子比特的希爾伯特態空間，迫近了“量子估算優越性”。
光量子干涉實物圖
左下方為輸入光學部份，右下方為鎖相光路，上方共輸出100個光學模式，分別通過低耗損多模光纖與100超導單光子偵測器聯接。
攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓
近日，該團隊通過自主研發同時具備高效率、高全同性、極高色溫和大規模擴充能力的量子光源，同時滿足相位穩定、全連通隨機矩陣、波包重合度優于99.5%、通過率優于98%的100模式干涉線路，相對光程10-9以內的鎖相精度，高效率100通道超導納拉面單光子偵測器，成功建立了76個光子100個模式的高斯玻色采樣量子估算靶機“九章”（命名為“九章”是為了記念中國唐代最早的語文著作《九章算術》）。
100模式相位穩定干涉儀
光量子干涉裝置集成在20cm*20cm的超低膨脹穩定襯底玻璃上,用于實現50路多模壓縮態間的兩兩干涉，并高精度地鎖定任意兩路光束間的相位。
攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓
按照目前最優的精典算法，“九章”對于處理高斯玻色采樣的速率比目前世界排行第一的超級計算機“富岳”快一百萬億倍，等效地比微軟今年發布的53比特量子估算靶機“懸鈴木”快一百億倍。同時，通過高斯玻色采樣證明的量子估算優越性不依賴于樣本數目，克服了微軟53比特隨機線路采樣實驗中量子優越性依賴于樣本數目的漏洞。“九章”輸出量子態空間規模達到了1030（“懸鈴木”輸出量子態空間規模是1016，目前全世界的儲存容量是1022）。
該成果牢靠確立了我國在國際量子估算研究中的第一方陣地位，為未來實現可解決具有重大實用價值問題的規模化量子模擬機奠定了技術基礎。據悉，基于“九章號”量子估算靶機的高斯玻色采樣算法在數論、機器學習、量子物理等領域具有潛在應用，將是后續發展的重要方向。
光量子干涉示意圖
制圖：文樂，羅弋涵
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前途無量的量子估算
量子估算()是一種遵守量子熱學規律調控量子信息單元進行估算的新型估算模式，即借助量子疊加和糾纏等化學特點，以微觀粒子構成的量子比特為基本單元，通過量子態的受控演變實現估算處理。對照于傳統的通用計算機，其理論模型是通用圖靈機；而通用的量子計算機，其理論模型即是藥量子力學規律重新演繹的通用圖靈機。
1982年，澳洲知名化學學家理查德·費曼院士提出了量子估算的概念，并強調以量子熱學為基礎的計算機在處理特定問題時，具有遠超傳統計算機的能力優勢。90年代先后誕生了知名的Shor分解算法、搜索算法等，為后來量子估算技術的發展奠定了重要的理論基礎與實踐基石。
量子估算的主要原理就是借助了量子態的疊加性和糾纏性。比特作為估算的基本信息處理單元，具有0和1兩種邏輯態，且在精典估算模式只能處于0或1的一種，而量子比特卻還能處于0和1的疊加態。換言之，每位精典儲存器僅能儲存0或1其中一個，而量子儲存器卻能同時儲存0和1。
量子熱學態疊加原理促使量子信息單元的狀態可以處于多種可能性的疊加狀態，進而造成量子信息處理從效率上相比于精典信息處理具有更大潛力和更重要作用。為此，量子估算領域近些年異常熱鬧，許多科研機構都已涉足量子估算領域，并取得了令人鼓舞的成就。
在量子估算賽道，微軟、微軟、英特爾等國外科技企業擁有先發優勢，通過不同技術路徑不斷實現對更多量子比特的操縱。2019年10月，微軟研究人員宣稱，基于一個包含54個量子比特的量子芯片開發了量子估算系統；該系統只用了約200秒就完成了傳統計算機大概須要1萬年才會完成的任務。
IBM首席執行官表示，他的公司的顧客最早可以在2023年使用量子估算技術并獲得優厚的利潤。
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深受好評的重磅研究成果
中國科學技術學院新聞中心在督查專家庫的基礎上，就這個工作以視頻或則文字的方式專訪了多位美國相關領域的院士，包括多位沃爾夫獎獲得者，英國科大學教授等資深專家。讓我們一上去聽聽她們的評價吧！
日本馬普所校長沃爾夫獎得主富蘭克林獎狀得主Cirac：
總體來說，這是量子科技領域的一個重大突破，朝著研發相比精典計算機具有量子優勢的量子設備邁出了一大步。我相信這項成果背后付出了巨大的技術努力。潘院士的團隊在世界上獨一無二的量子傳輸實物量子傳輸實物，她們形成了包括這個實驗在內的好多重大成果。
法國科大學教授沃爾夫獎得主法國科大學教授Anton：
這項工作成果很重要，由于潘建偉和他的朋友證明，基于光子（光的粒子）的量子計算機也可能實現“量子估算優越性”。我預測很有可能有朝一日量子計算機會被廣泛使用。甚至每位人都可以使用。
麻省理工大學副院長德國青年科學家首相獎得主斯隆獎得主Dirk：
這是一個劃時代的成果。這是一個了不起的成就。這是開發這種小型量子計算機的里程碑。
維也納學院院長德國化學學會會士：
她們在實驗中領到了目前最強精典計算機萬億年能夠給出的估算結果，為量子計算機的強悍能力給出了強有力的證明。
日本卡爾加里學院院長量子科學和技術研究所主任Barry：
我覺得這是一項杰出的工作，改變了當前的格局(it’sthegame)。我們仍然努力證明量子信息處理可以擊敗精典的信息處理。這個實驗使精典計算機望塵莫及。
今年，微軟取得了一項巨大的成果，即量子估算優越性，但這是有爭議的。微軟的結果是，她們擁有一臺量子計算機，其性能比其他任何精典計算機都要好。之后，IBM對此提出相反的論據：她們并未完全實現。指責是否真正的達到了量子估算優越性。
這個實驗（潘建偉教授團隊的實驗）不存在爭辯，毫無疑惑，該實驗取得的結果遠遠超出了傳統機器的模擬能力。
我想說的是，這個實驗技術挑戰十分巨大。為了獲得此結果，她們必須解決許多十分困難的技術問題。僅僅在技術層面上，她們所取得的成就也令人印象深刻。這是人們夢寐以求的實驗，她們弄成了，讓夢想走入現實。
格拉斯哥學院院長TimRalph：
我相信潘院士和陸院士團隊的論文是一個重大突破。這是一個真正的“英雄”實驗，將實驗各個方面的技術推動到遠遠超過原先的水平。該設備的規模是非凡的：100模式干涉儀、25個壓縮器提供輸入的量子態、使用100個單光子偵測器進行偵測，而且實現了同時保持高效率，穩定性和量子不可區分性——這都是展示量子估算優越性所必須的。
日本科大學教授沃爾夫獎得主狄拉克獎狀得主Peter：
借助量子元件來解決日漸復雜的問題并彰顯量子優勢是量子科學前沿中的最重要問題之一。陸朝陽、潘建偉和朋友們基于光子進行的高斯玻骰子取樣實驗，無論是在量子系統的大小和擴充性方面，還是在實際應用的前景方面，都把研究水平提高到了一個新的高度。
日本皇家理工大學院士Val：
知名的中國科學技術學院團隊報導的量子估算優越性的工作為量子科學樹立了一個新的重要里程碑，由于一個重要的量子優勢清楚地證明了其量子處理器的表現遠遠優于超級計算機。為了實現這一目標，她們克服了重大的技術挑戰，進而形成、操縱和偵測特別大尺度的光量子態。
日本哈佛學院院長布魯克海文國家實驗室量子優勢合作設計中心院長英國藝術和科大學教授高盛獎獲得者：
這是一個非常困難的，須要付出很大的努力來建立的工作。對此我印象十分深刻，我覺得這是我們控制量子系統能力的重要技術進步。
美國劍橋學院院士美國數學學會托馬斯.楊獎狀獲得者Mete：
對于量子估算這個蓬勃發展的領域來說，這確實是一個震撼的時刻。陸院士和潘院士的這一成就將光子和以基于光子的量子技術放在世界舞臺中央。通過這項工作，我們步入了量子技術應用的時代，與傳統方式相比，我們取得了可觸碰的優越性。
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番外閱讀：《九章算術》
《九章算術》是中國唐代張蒼、耿壽昌所撰寫的一部語文著作。是《算經十書》中最重要的一部，成于公元一世紀左右。其作者已不可考。通常覺得它是經歷代各家的增補修訂，而漸漸成為現在定本的，漢代的張蒼、耿壽昌以前做過增補和整理，其時大體已成定本。最后成書最遲在漢代前期，現在留傳的大多是在三國時期魏元名郡元四年（263年），劉徽為《九章》所作的注本。
《九章算術》內容非常豐富，全書總結了戰國、秦、漢時期的物理成就。同時，《九章算術》在物理上還有其獨特的成就，除了最早提及分數問題，也首先記錄了盈不足等問題，《方程》章還在世界物理史上首次詳述了正數及其加減運算法則。
它是一本綜合性的歷史專著，是當時世界上最簡潔有效的應用物理，它的出現標志中國唐代物理產生了完整的體系。
（編輯：張毅，稿件資料來源：新華社、中國科學技術學院、中國科技新聞網、中科院量子信息與量子科技創新研究院等）