200秒只是短短刹那，6亿年已经是沧海桑田。12月4日，中国科学技术学院宣布该校潘建伟等人成功建立76个光子的量子估算靶机“九章”，求解物理算法高斯玻色采样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。
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从6亿年到200秒
“量子优越性像个门槛，是指当新生的量子估算截击机，在某个问题上的估算能力超过了最强的传统计算机，就证明其未来有多方赶超的可能。”中科大院士陆朝阳说，多年来国际学界高度关注、期待这个里程碑式转折点到来。
今年9月，加拿大微软公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个物理算法的估算只需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”。
近日，潘建伟团队与中科院北京微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功打造76个光子的量子估算靶机“九章”。
实验显示，当求解5000万个样本的高斯玻色采样时，“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”的估算速率比“悬铃木”快100亿倍，并填补了“悬铃木”依赖样本数目的技术漏洞。
此外，潘建伟团队此次突破历经20年，主要攻破高品质光子源、高精度锁相、规模化干涉三大技术困局。
“比如说，我们每次喝下一哈喇子很容易，但每次喝下一个水份子很困难。”潘建伟说，光子源要保证每次只放出1个光子，且每位光子一模一样，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公里距离的传输偏差不能超过一根毛发半径。
与通用计算机相比，“九章”还只是“单项季军”。但其强悍算力，在数论、机器学习、量子物理等领域具有潜在应用价值。
12月4日，国际学术刊物《科学》发表了该成果，审稿人评价这是“一个最先进的实验”、“一个重大成就”。
02
迈向量子优越性的门槛
量子估算优越性（美国称作之为“量子霸权”），量子计算机在原理上具有超快的并行估算能力，可望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面（如密码破译、大数据优化、材料设计、药物剖析等）相比精典计算机实现指数级别的加速。
“九章”量子估算靶机光路系统原理图
左上方激光系统形成高峰值功率皮秒脉冲；左方25个光源通过热阻下转换过程形成50路多模压缩态输入到右方100模式光量子干涉网路;最后借助100个高效率超导单光子侦测器对干涉仪输出光量子态进行侦测。
制图：陆朝阳，彭礼超
当前，研发量子计算机已成为世界科技前沿的最大挑战之一，成为欧美各发达国家争夺的焦点。对于量子计算机的研究，本领域的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个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机难以解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现估算科学中“量子估算优越性”的里程碑。
第二阶段：通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与侦测，研发可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干超级计算机难以胜任的具有重大实用价值的问题（如量子物理、新材料设计、优化算法等）。
第三阶段：通过积累在专用量子估算与模拟机的研发过程中发展上去的各类技术，提升量子比特的操纵精度使之达到能赶超量子估算严苛的容错阀值（>99.9%），大幅度提升可集成的量子比特数量（百万量级），实现容错量子逻辑门，研发可编程的通用量子估算靶机。
潘建伟团队仍然在光量子信息处理方面处于国际领先水平。2017年，该团队建立了世界首台赶超初期精典计算机（ENIAC）的光量子估算截击机。2019年，团队进一步研发了确定性偏振光、高含量、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采样，输出复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，迫近了“量子估算优越性”。
光量子干涉实物图
左下方为输入光学部份，右下方为锁相光路，上方共输出100个光学模式，分别通过低耗损多模光纤与100超导单光子侦测器联接。
摄影：马潇汉，梁竞，邓宇皓
近日，该团队通过自主研发同时具备高效率、高全同性、极高色温和大规模扩充能力的量子光源，同时满足相位稳定、全连通随机矩阵、波包重合度优于99.5%、通过率优于98%的100模式干涉线路，相对光程10-9以内的锁相精度，高效率100通道超导纳拉面单光子侦测器，成功建立了76个光子100个模式的高斯玻色采样量子估算靶机“九章”（命名为“九章”是为了记念中国唐代最早的语文著作《九章算术》）。
100模式相位稳定干涉仪
光量子干涉装置集成在20cm*20cm的超低膨胀稳定衬底玻璃上,用于实现50路多模压缩态间的两两干涉，并高精度地锁定任意两路光束间的相位。
摄影：马潇汉，梁竞，邓宇皓
按照目前最优的精典算法，“九章”对于处理高斯玻色采样的速率比目前世界排行第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，等效地比微软今年发布的53比特量子估算靶机“悬铃木”快一百亿倍。同时，通过高斯玻色采样证明的量子估算优越性不依赖于样本数目，克服了微软53比特随机线路采样实验中量子优越性依赖于样本数目的漏洞。“九章”输出量子态空间规模达到了1030（“悬铃木”输出量子态空间规模是1016，目前全世界的储存容量是1022）。
该成果牢靠确立了我国在国际量子估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。据悉，基于“九章号”量子估算靶机的高斯玻色采样算法在数论、机器学习、量子物理等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。
光量子干涉示意图
制图：文乐，罗弋涵
02
前途无量的量子估算
量子估算()是一种遵守量子热学规律调控量子信息单元进行估算的新型估算模式，即借助量子叠加和纠缠等化学特点，以微观粒子构成的量子比特为基本单元，通过量子态的受控演变实现估算处理。对照于传统的通用计算机，其理论模型是通用图灵机；而通用的量子计算机，其理论模型即是药量子力学规律重新演绎的通用图灵机。
1982年，澳洲知名化学学家理查德·费曼院士提出了量子估算的概念，并强调以量子热学为基础的计算机在处理特定问题时，具有远超传统计算机的能力优势。90年代先后诞生了知名的Shor分解算法、搜索算法等，为后来量子估算技术的发展奠定了重要的理论基础与实践基石。
量子估算的主要原理就是借助了量子态的叠加性和纠缠性。比特作为估算的基本信息处理单元，具有0和1两种逻辑态，且在精典估算模式只能处于0或1的一种，而量子比特却还能处于0和1的叠加态。换言之，每位精典储存器仅能储存0或1其中一个，而量子储存器却能同时储存0和1。
量子热学态叠加原理促使量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态，进而造成量子信息处理从效率上相比于精典信息处理具有更大潜力和更重要作用。为此，量子估算领域近些年异常热闹，许多科研机构都已涉足量子估算领域，并取得了令人鼓舞的成就。
在量子估算赛道，微软、微软、英特尔等国外科技企业拥有先发优势，通过不同技术路径不断实现对更多量子比特的操纵。2019年10月，微软研究人员宣称，基于一个包含54个量子比特的量子芯片开发了量子估算系统；该系统只用了约200秒就完成了传统计算机大概须要1万年才会完成的任务。
IBM首席执行官表示，他的公司的顾客最早可以在2023年使用量子估算技术并获得优厚的利润。
04
深受好评的重磅研究成果
中国科学技术学院新闻中心在督查专家库的基础上，就这个工作以视频或则文字的方式专访了多位美国相关领域的院士，包括多位沃尔夫奖获得者，英国科大学教授等资深专家。让我们一上去听听她们的评价吧！
日本马普所校长沃尔夫奖得主富兰克林奖状得主Cirac：
总体来说，这是量子科技领域的一个重大突破，朝着研发相比精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。潘院士的团队在世界上独一无二的量子传输实物量子传输实物，她们形成了包括这个实验在内的好多重大成果。
法国科大学教授沃尔夫奖得主法国科大学教授Anton：
这项工作成果很重要，由于潘建伟和他的朋友证明，基于光子（光的粒子）的量子计算机也可能实现“量子估算优越性”。我预测很有可能有朝一日量子计算机会被广泛使用。甚至每位人都可以使用。
麻省理工大学副院长德国青年科学家首相奖得主斯隆奖得主Dirk：
这是一个划时代的成果。这是一个了不起的成就。这是开发这种小型量子计算机的里程碑。
维也纳学院院长德国化学学会会士：
她们在实验中领到了目前最强精典计算机万亿年能够给出的估算结果，为量子计算机的强悍能力给出了强有力的证明。
日本卡尔加里学院院长量子科学和技术研究所主任Barry：
我觉得这是一项杰出的工作，改变了当前的格局(it’sthegame)。我们仍然努力证明量子信息处理可以击败精典的信息处理。这个实验使精典计算机望尘莫及。
今年，微软取得了一项巨大的成果，即量子估算优越性，但这是有争议的。微软的结果是，她们拥有一台量子计算机，其性能比其他任何精典计算机都要好。之后，IBM对此提出相反的论据：她们并未完全实现。指责是否真正的达到了量子估算优越性。
这个实验（潘建伟教授团队的实验）不存在争辩，毫无疑惑，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，这个实验技术挑战十分巨大。为了获得此结果，她们必须解决许多十分困难的技术问题。仅仅在技术层面上，她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，她们弄成了，让梦想走入现实。
格拉斯哥学院院长TimRalph：
我相信潘院士和陆院士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动到远远超过原先的水平。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个单光子侦测器进行侦测，而且实现了同时保持高效率，稳定性和量子不可区分性——这都是展示量子估算优越性所必须的。
日本科大学教授沃尔夫奖得主狄拉克奖状得主Peter：
借助量子元件来解决日渐复杂的问题并彰显量子优势是量子科学前沿中的最重要问题之一。陆朝阳、潘建伟和朋友们基于光子进行的高斯玻骰子取样实验，无论是在量子系统的大小和扩充性方面，还是在实际应用的前景方面，都把研究水平提高到了一个新的高度。
日本皇家理工大学院士Val：
知名的中国科学技术学院团队报导的量子估算优越性的工作为量子科学树立了一个新的重要里程碑，由于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，她们克服了重大的技术挑战，进而形成、操纵和侦测特别大尺度的光量子态。
日本哈佛学院院长布鲁克海文国家实验室量子优势合作设计中心院长英国艺术和科大学教授高盛奖获得者：
这是一个非常困难的，须要付出很大的努力来建立的工作。对此我印象十分深刻，我觉得这是我们控制量子系统能力的重要技术进步。
美国剑桥学院院士美国数学学会托马斯.杨奖状获得者Mete：
对于量子估算这个蓬勃发展的领域来说，这确实是一个震撼的时刻。陆院士和潘院士的这一成就将光子和以基于光子的量子技术放在世界舞台中央。通过这项工作，我们步入了量子技术应用的时代，与传统方式相比，我们取得了可触碰的优越性。
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番外阅读：《九章算术》
《九章算术》是中国唐代张苍、耿寿昌所撰写的一部语文著作。是《算经十书》中最重要的一部，成于公元一世纪左右。其作者已不可考。通常觉得它是经历代各家的增补修订，而渐渐成为现在定本的，汉代的张苍、耿寿昌以前做过增补和整理，其时大体已成定本。最后成书最迟在汉代前期，现在留传的大多是在三国时期魏元名郡元四年（263年），刘徽为《九章》所作的注本。
《九章算术》内容非常丰富，全书总结了战国、秦、汉时期的物理成就。同时，《九章算术》在物理上还有其独特的成就，除了最早提及分数问题，也首先记录了盈不足等问题，《方程》章还在世界物理史上首次详述了正数及其加减运算法则。
它是一本综合性的历史专著，是当时世界上最简洁有效的应用物理，它的出现标志中国唐代物理产生了完整的体系。
（编辑：张毅，稿件资料来源：新华社、中国科学技术学院、中国科技新闻网、中科院量子信息与量子科技创新研究院等）