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中央纪委国家监委网站韩亚栋
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（中国科学技术学院供图）
“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（中国科学技术学院供图）
在竞争激烈的量子科技前沿，中国科学家又树立起了一座举世瞩目的里程碑。
12月4日，中国科学技术学院宣布，该校潘建伟、陆朝阳等组成的研究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，建立了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”量子传输实物，处理5000万个样本只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。相关论文于12月4日在线发表在国际学术刊物《科学》。《科学》杂志审稿人评价，这是“一个最先进的实验”，“一个重大成就”。
潘建伟表示，这一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。基于“九章”的“高斯玻色采样”算法，未来将在数论、机器学习、量子物理等领域具有重要的潜在应用价值。
“九章”在一分钟时间里完成了精典超级计算机一亿年才会完成的任务
据潘建伟团队介绍，之所以将这台量子计算机命名为“九章”，是为了记念中国唐代语文著作《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，它的出现标志中国唐代物理产生了完整的体系，是一部具有里程碑意义的历史专著。而这台名为“九章”的新机器，同样具有里程碑意义。
量子计算机具有超快并行估算能力，它通过特定算法在一些重大问题方面实现指数级别的加速。“九章”解决的“高斯玻色采样”问题就是一种。
“高斯玻色采样”是一个估算机率分布的算法，可用于编码和求解多种问题。其估算难度呈指数下降，很容易超出目前超级计算机的估算能力，适宜量子计算机来探求解决。
在本研究中，潘建伟团队打造的76个光子的量子估算靶机“九章”，实现了“高斯玻色采样”任务的快速求解。
“九章”的算力到底有多强？在温度条件下运行（除光子侦测部份需4K高温），估算“高斯玻色采样”问题，“九章”处理5000万个样本只需200秒，超级计算机则须要6亿年；处理100亿个样本，“九章”只需10小时，超级计算机则须要1200亿年——而宇宙诞生至今不过约137亿年。
“‘九章’在一分钟时间里完成了精典超级计算机一亿年才会完成的任务。”该研究的通信作者之一、中国科学技术学院院长陆朝阳说。
为了核验“九章”算得“准不准”，潘建伟团队用超算同步验证。“10个、20个光子的时侯，结果都能对得上，到40个光子的时侯超算就比较费力了，而‘九章’一直算到了76个光子。”陆朝阳告诉记者。
日本麻省理工大学副院长，青年科学家首相奖、斯隆奖得主德克·英格伦评价说，潘建伟团队的研究“是一个划时代的成果”，是“开发小型量子计算机的里程碑”。维也纳学院院长、美国数学学会会士菲利普·沃尔泽也觉得：“他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。”
“九章”处理“高斯玻色采样”的速率，等效比较下较微软开发的超导比特量子估算靶机“悬铃木”快100亿倍
眼下，研发量子计算机作为世界科技前沿，成为欧美发达国家争夺的焦点。
2019年10月，日本化学学家约翰·马丁尼斯率领的微软团队宣布研发出53个量子比特的计算机“悬铃木”（）。“悬铃木”完成100万次随机线路采样任务只需200秒，而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需要2天。俄罗斯科学家得以在全球首次实现了“量子估算优越性”。
所谓的“量子估算优越性”，又称“量子霸权”，这一科学术语是指：作为新生事物的量子计算机，一旦在某个问题上的估算能力超过了最强的传统计算机，就证明了量子计算机的优越性，使其越过了未来在多方面赶超传统计算机的门槛。
事实上，就在微软宣布“悬铃木”的同期，潘建伟团队早已实现了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”。
近日，该团队通过在量子光源、量子干涉、单光子侦测器等领域的自主创新，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”。“九章”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的负9次方以内的锁相精度，高效率100通道超导纳火锅单光子侦测器。
实验显示，“九章”对精典物理算法“高斯玻色采样”的估算速率，比目前世界最快的超算“富岳”快一百万亿倍，因而在全球第二个实现了“量子估算优越性”。
陆朝阳介绍称，相比“悬铃木”，“九章”有三大优势：一是速率更快。其实算的不是同一个物理问题，但与最快的超算等效比较，“九章”比“悬铃木”快100亿倍。二是环境适应性。因为采用超导体系，“悬铃木”必须全程在零下273.12摄氏度（30mK）的超高温环境下运行，而“九章”除了侦测部份须要零下269.12摄氏度的环境外，其他部份可以在温度下运行。三是填补了技术漏洞。“悬铃木”只有在小样本的情况下快于超算，“九章”在小样本和大样本上均快于超算。“打个比方，就是微软的机器跳高可以跑赢超算，短跑跑不赢；我们的机器田径和短跑都能跑赢。”
“这项工作确实十分重要。”奥地利科大学教授、沃尔夫奖得主、美国科大学教授安东·塞林格说：“全世界正在研制量子估算，旨在于展示赶超常规计算机的能力。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’。”英国剑桥学院院长、英国数学学会托马斯·杨奖状获得者米特·阿塔图尔强调：“对于量子估算这个蓬勃发展的领域来说，这确实是一个震撼时刻。陆院士和潘院士的这一成就将光子和基于光子的量子技术放在世界舞台中央。”
未来的竞争是更快的精典算法和不断提高的量子估算硬件之间的竞争
“九章”量子估算靶机的诞生，是否意味着我国在“量子争霸”上早已取得胜利？人类是否马上就要步入量子估算的时代？我们可以用它来做些哪些？
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：第一阶段是发展具备50至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；第二阶段是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；第三阶段是大幅度提升可集成的量子比特数量至百万量级，实现容错量子逻辑门，研发可编程的通用量子估算靶机。
潘建伟团队透漏，虽然“九章”的算力快得惊人，但它只是在量子估算第一阶段树起了一座里程碑，未来的路还很长。
在人们对算力需求指数级下降的时代，量子计算机已经成为世界前沿的兵家必争之地。近来日本公布了量子估算领域的最新计划，美国、欧盟、日本等国家也早有相应规划。我国“九章”的研发成功，除了取得了“量子估算优越性”的里程碑式进展，也为第二步——解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题提供了潜在的前景。
眼下，无论是微软的“悬铃木”处理“随机线路采样”，还是“九章”求解“高斯玻色采样”，都只能拿来解决某一个特定问题。潘建伟解释，这是由于目前可拿来搭建量子计算机的材料有限，只能“就菜品做饭”，未来量子计算机的突破，更有可能依赖于新材料在量子估算硬件上的创新。“这不是一个一蹴而就的工作量子传输实物，而是更快的精典算法和不断提高的量子估算硬件之间的竞争。”潘建伟说。
潘建伟透漏，在“九章”量子估算靶机的基础上，她们将通过提升量子比特的操纵精度等一系列技术攻关，力争早日研发出可编程的通用量子估算靶机。“希望还能通过15年到20年的努力，研发出通用的量子计算机，用以解决一些应用十分广泛的问题，例如密码剖析、气象预报、药物设计等等，同时也可以用于进一步探求数学学物理生物学领域的一些复杂问题。”
“我们如今证明了，中国人在国外也可以做好‘科学’”
湖北武汉，中国科大学量子信息与量子科技创新研究院，最新研发成功的量子估算靶机“九章”几乎抢占了半个实验室，包含上千个部件。这是潘建伟团队经过20多年研究攻关研发而成。
时间拨转入20多年前，量子热学的诞生地德国，潘建伟在因斯布鲁克学院初见他的导师塞林格。塞林格院长坐在一把桌子上，背后是一座诺贝尔奖获得者使用过的钟表和英国化学学家玻尔兹曼用过的一块黑板。塞林格问潘建伟：“你未来的计划是哪些？”潘建伟回答：“将来在中国建一个和这儿一样好的实验室。”
2001年，潘建伟作为中科院引进美国杰出人才，同时获得中科院基础局和人教局支持，归国在中国科学技术学院成立了量子化学与量子信息实验室。实验室以一批年青班主任和中学生为班底，即使是从零开始，但成立之初就得到有关科技主管部门和中国科学技术学院的大力支持。
中国科学技术学院的量子化学与量子信息实验室经常灯火通明，潘建伟和他的伙伴们每天工作15个小时以上，熬夜工作是家常便饭。一项项科研成果不断涌现：2012年，首次实现了百公里级的单向量子纠缠分发和量子隐型传态；2016年8月，牵头研发并成功发射国际上首颗量子科学实验卫星“墨子号”；2017年5月，建成世界首台赶超初期精典计算机的光量子计算机……
回顾那些年来逐梦量子世界的点点嘀嘀，潘建伟感叹，从归国设立实验室时的400亿元启动经费，到近些年来全省几十个科研单位支撑建设的量子卫星“墨子号”，到全长2000多公里的量子通讯“京沪干线”工程，再到研发量子估算靶机“九章”，都离不开国家的强力支持。
“团队所获得的持续支持和所取得的成绩除了体现着我国不断增强的综合国力和科技创新能力，也充分反映了我国对支持战略性前沿基础科学研究的敏锐判定力和决策力。”潘建伟说。
潘建伟追忆，多年前，他首次提出借助卫星实现自由空间量子通讯的设想，但是这个“前无古人、闻所未闻”的看法却受到指责：量子信息科学，法国、美国都刚才起步，我们为何现今要做？
辛运的是，这个计划最终获得了中国科大学的支持。依靠于中国科大学空间科学先导专项即将立项的“量子科学实验卫星”，潘建伟团队得以打开量子世界的又一扇房门。
“如果说当初杨振宁和李政道先生证明，中国人在美国可以做好‘科学’。这么我们如今证明了，中国人在国外也可以做好‘科学’。”潘建伟说。
走入潘建伟团队的量子实验室，进门正面的墙壁，挂着中国科大学教授、著名核化学学家赵忠尧先生在《我的追忆》中的一段话：“回想自己的一生，经历过许多波折，惟一的希望就是祖国繁荣兴盛，科学发达。我们早已尽了自己的力量，但国家仍未甩掉贫穷与落后，尚需现今与后世无私的有为青年再接再厉，继续努力。”
为了实现新的划时代的“算力革命”，潘建伟和他的团队还在日夜兼程、不懈探求。