量子计算

量子计算是一种全新的计算模式，不同于如今的数字计算需要把数据编码为二进制（比特位），非0即1，而是使用量子位，可以同时处于多个状态，通过量子比特相互纠缠，实现性能的指数级提升，能够并行执行大量计算。

在计算方面，量子计算是未来的一大发展趋势，和经典计算相比，算力更强大。

据了解，近年来，潘建伟研究团队在利用超冷原子产生大规模量子纠缠态进行量子计算、构建拓扑量子计算系统、模拟凝聚态超流模型、模拟人工规范场、开展超冷化学研究等方面取得一系列原创性科研成果，现已成为国际上超冷原子量子计算和量子模拟领域的领跑团队之一。

近年来，潘建伟研究团队在利用超冷原子产生大规模量子纠缠态进行量子计算、构建拓扑量子计算系统等方面取得了一系列原创性的科研成果，成为国际上超冷原子量子计算和量子模拟领域的领跑团队之一。

据中国经济网最新消息，中国科学技术大学潘建伟、苑震生等人与德国海德堡大学、意大利特伦托大学的合作者在超冷原子量子计算和模拟研究中取得重要突破：

”12月4日，英特尔研究院量子应用与架构总监AnneMatsuura在英特尔研究院举行的线上开放日上表示，量子计算应用的范围广泛，包括设计药物、模拟自然环境来推进化学、材料科学和分子建模等领域的科研工作。

量子计算和经典计算的动态竞争

量子计算和经典计算的竞争是一个长期的动态过程，虽然人们操纵量子比特的数量和精准度在不断提升，但是经典计算的算法和硬件也在不断优化，超算工程的潜力更是不可小觑。

这台由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等学者研制的76个光子的量子计算原型机，推动全球量子计算的前沿研究达到一个新高度。

「九章」量子计算原型机光路系统原理图

根据现有理论，其速度比目前世界排名第一的超级计算机日本「富岳」快一百万亿倍，比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机「悬铃木」快一百亿倍。

今天，我国量子计算研究成功攀登至第一个里程碑：量子计算优越性（国外也称之为“量子霸权”）——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个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。

根据现有理论，中国“九章”处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍，等效地其速度比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。

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”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。

“量子优越性像个门槛，是指当新生的量子计算原型机，在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明其未来有多方超越的可能。

为了实现这一目标，他们在高斯波色采样实验当中构建了一个量子计算的原型机，比目前最快的超算快10的14次方倍。

在「九章」量子原型机的基础上，研究团队将通过提高量子比特的操纵精度等一系列技术攻关，力争尽早研制出可编程的通用量子计算原型机。

我国科学家最新研制成功的量子计算原型机。

「九章」量子计算原型机光路系统原理图。

此外，基于「九章号」量子计算原型机的高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。

“因为九章量子计算原型机所完成的高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用。

再等效地对比去年谷歌发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”：对于“悬铃木”来说，200秒完成的任务，IBM超算Summit需要2天，考虑Summit和富岳的算力差距，“九章”等效地比谷歌的“悬铃木”快100亿倍。

在最终的采样结果里，成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色采样量子计算原型机。

第三阶段：通过积累在专用量子计算与模拟机的研制过程中发展起来的各种技术，提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值（>99.9%），大幅度提高可集成的量子比特数目（百万量级），实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。

2017年，该团队构建了世界首台超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机。

近期，中科大潘建伟团队与中科院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。

第三阶段，大幅提高量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力，研制可编程的通用量子计算原型机。

近期，中科大潘建伟团队与中科院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建76个光子的量子计算原型机“

近期，潘建伟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，成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。

76个光子，比谷歌“悬铃木”快一百亿倍，比最强的超级计算机快一百万亿倍——“九章”量子计算原型机的诞生，是否意味着我国在“量子争霸”上已经取得胜利？

在“九章”量子计算原型机中，有100个光纤通道，最多同时可以有76个光子进入这些通道。

第三阶段是通过积累在专用量子计算与模拟机的研制过程中发展起来的各种技术，提高量子比特的操纵精度，使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值（>99.9%），大幅提高可集成的量子比特数目（百万量级），实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。

另一个问题是，人们如何知晓这些早期的量子计算原型机得到的结果是正确的？

近日，中国科学技术大学潘建伟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，成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机「九章」，其处理特定问题的速度比目前最快的超级计算机「富岳」快了一百万亿倍，同时也等效地比谷歌去年发布的53比特量子计算原型机「Sycamore」快一百亿倍。

它是“玻色采样”问题的一种，而玻色采样问题是量子信息领域第一个在数学上被严格证明可以用来演示量子计算加速的算法。

2019年，团队进一步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，输出复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，逼近了“量子计算优越性”。

对于量子计算机的研究，国际同行公认有三个指标性的发展阶段：第一阶段发展具备50-100个童子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。

这当中，量子计算研究的第一个阶段性目标，是实现“量子计算优越性”（亦译为“量子霸权”），即研制出量子计算原型机在特定任务的求解方面超越经典的超级计算机。

2019年，他们实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算，输出状态空间维数高达三百七十万亿，其复杂度相当于48个量子比特，逼近了“量子计算优越性”。

”奥地利科学院院长、美国科学院院士、沃尔夫奖得主AntonZeilinger认为，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”。

面对“九章”所证明的“量子计算优越性”，BarrySanders则毫不吝啬地称赞：“我认为这是量子计算领域最重要的成果之一。

在国际上，业内公认量子计算机有三个指标性的发展阶段，第一个阶段是发展具备50-100个量子比特的高精度专用量子计算机，超越经典计算机实现“量子计算优越性”的里程碑，这也是“九章”取得的第一个阶段性的胜利。

实际上，就在去年谷歌宣布“悬铃木”的同期，潘建伟团队已经实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，输出复杂度相当于48个量子比特的输出态空间，逼近了“量子计算优越性”。

第一阶段是发展具备50-100个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无能为力的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。

实际上，在量子计算领域，国际同行公认有三个指标性的发展阶段，目前则处于“量子计算优越性”的第一阶段。

而“悬铃木”的输出态空间为10的16次方，两者相差了十几个数量级，这也是导致“悬铃木”未能充分体现“量子计算优越性”的原因之一。

继谷歌去年10月宣布“量子称霸”之后，昨天，中国在世界上宣布实现“量子计算优越性”里程碑，以76个光子、不依赖于样本数量的更强姿态，登上《科学》杂志。

这一成果使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。

这当中，量子计算研究的第一个阶段性目标，是实现“量子计算优越性”。

中国科学院院士中国科学技术大学教授潘建伟：在我们的量子计算里面，第一个里程碑性的目标就是要来展示量子计算的优越性。

实验结果显示，“九章”处理特定问题的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，同时也等效地比谷歌去年发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍，成功实现了量子计算领域的第一个里程碑——量子计算优越性。

这一成果使我国成功实现了量子计算研究的第一个里程碑——量子计算优越性，相关论文今天在国际学术期刊《科学》发表。

“量子计算优越性”究竟是什么呢？

奥地利科学院院长沃尔夫奖得主美国科学院院士安东蔡林格：这项工作成果很重要，证明了基于光子的量子计算机也可能实现量子计算优越性。

同时，通过高斯玻色取样证明的量子计算优越性不依赖于样本数量，克服了谷歌53比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。

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（国外称“量子霸权”）。

而利用超导量子比特实现随机线路取样和利用光子实现玻色取样，是目前国际学术界公认的演示量子计算优越性的两大途径。

潘建伟介绍，将实现量子计算优越性的这台量子原型机命名为“九章”，是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。

奥地利科学院院长美国科学院院士安东蔡林格：这项工作成果很重要，证明了基于光子的量子计算机也可能实现量子计算优越性。

对此，加拿大卡尔加里大学教授、量子科学和技术研究所所长BarrySanders认为，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。

质疑是否真正的达到了量子计算优越性。

Scott表示，相比于谷歌，潘建伟团队的这项实验的意义在于，这是首次通过光子学，证明量子计算优越性的做法。

但「九章」的实验结果，无疑从理论、方法上都证明了量子计算的优越性，不留情面地给质疑者来了有力的一击。

在Scott看来，潘建伟、陆朝阳团队这次实现的研究成果，不仅是量子计算优越性的有利证明，所求解的玻色子采样（BosonSampling）问题，也是证明量子计算超越传统方法的又一重大突破。

毕竟在这之前，有关量子计算优越性的争议，一直没有停止过。

而IBM也曾质疑过谷歌取得的量子计算优越性，认为这种证明方法上完全不靠谱，相比之下，IBM用传统方法也能做到相同的结果。

除了证明量子计算优越性以外，这也是驳斥GilKalai理论的有利证据。