中國科學技術大學中國科學院量子信息與量子科技創新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊與中國科學院上海微係統所、國家並行計算機工程技術研究中心合作，成功構建了255個光子的量子計算原型機“九章三號”，再度刷新了光量子信息的技術水平和量子計算優越性的世界紀錄。科研人員設計了時空解複用的光子探測新方法，構建了高保真度的準光子數可分辨探測器，提升了光子操縱水平和量子計算複雜度。根據公開正式發表的最優經典精確采樣算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號”提升一百萬倍。“九章三號”在百萬分之一秒時間內所處理的最高複雜度的樣本，需要當前最強的超級計算機“前沿”(Frontier)花費超過二百億年的時間。這一成果進一步鞏固了我國在光量子計算領域的國際領先地位。

圖1：實驗裝置示意圖

　　量子計算是後摩爾時代的一種新的計算範式，它在原理上具有超快的並行計算能力，可望通過特定量子算法在一些具有重大社會和經濟價值的問題方麵相比經典計算機實現指數級別的加速。因而，研製量子計算機是當前世界科技前沿的最大挑戰之一。

　　為此，國際學術界製定了三步走的發展路線。其中，第一步是實現“量子計算優越性”，即通過對近百個量子比特的高精度量子調控，對特定問題的求解展現超級計算機無法比擬的算力，這標誌著40年前 Feynman等人的夢想成為現實。“量子計算優越性”實驗還可用於檢驗計算科學的“擴展的丘奇—圖靈論題”。同時，在此過程中，發展出可擴展的量子調控技術，為具備容錯能力的通用量子計算機的研製提供技術基礎。

　　2019年，美國穀歌和加州大學發布了53比特“懸鈴木”超導量子計算處理器，宣稱用200秒求解的隨機線路采樣問題需要超級計算機一萬年時間求解。然而，這一宣稱隨後受到了中國科學家的挑戰，改進後的經典算法使得超算上的計算時間從一萬年縮短到數十秒，快於“懸鈴木”量子處理器。

　　2020年，中國科大團隊成功構建76光子的“九章”光量子計算原型機[Science 370, 1460 (2020)]，首次在國際上實現光學體係的“量子計算優越性”，並克服了穀歌實驗中量子優越性依賴於樣本數量的漏洞。2021年，中國科大團隊進一步成功研製了113光子的可相位編程的“九章二號”[PRL 127, 180502 (2021)]和56比特的“祖衝之二號”量子計算原型機[PRL 127, 180501 (2021)]，使我國成為唯一在光學和超導兩種技術路線都達到了“量子計算優越性”的國家。

　　在這個“量子計算優越性”戰略高地，國際競爭呈現出白熱化。位於加拿大多倫多的Xanadu公司與美國國家標準與技術研究院合作，采用與“九章”光量子計算原型機相同的高斯玻色取樣路線，在2022年發布了216光子的“北極光”量子處理器，在國際上第二個實現了光學體係“量子計算優越性”。

圖2：光量子計算的國際競爭態勢

　　中國科大團隊在理論上首次發展了包含光子全同性的新理論模型，實現了更精確的理論與實驗的吻合;同時，發展了完備的貝葉斯驗證和關聯函數驗證，全麵排除了所有已知的經典仿冒算法，為量子計算優越性提供了進一步數據支撐。在技術上，研製了基於光纖時間延遲環的超導納米線探測器，把多光子態分束到不同空間模式並通過延時把空間轉化為時間，實現了準光子數可分辨的探測係統。這一係列創新使得研究團隊首次實現了對255個光子的操縱能力，極大地提升了光量子計算的複雜度，處理高斯玻色取樣的速度比“九章二號”提升了一百萬倍。在激烈的國際競爭角逐中，“九章三號”的實現進一步鞏固了我國在光量子計算領域的國際領先地位。

　　進一步，在構建“九章”係列光量子計算原型機的基礎上，中國科大研究團隊揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數學聯係，完成對稠密子圖和Max-Haf兩類具有實用價值的圖論問題的求解，相比經典計算機精確模擬的速度快1.8億倍[PRL 130, 190601 (2023)]。此外，又在國際上首次演示了無條件的多光子量子精密測量優勢[PRL 130, 070801(2023)]。

圖3：九章三號的計算複雜度需要花費超級計算機的時間。

　　量子計算優越性的研究是一個複雜而富有挑戰性的工作，量子計算硬件與經典算法之間存在著長期競爭。研究人員期待這項工作一方麵能夠激發更多關於經典算法模擬的研究工作，另一方麵有助於逐步解決量子計算研究中的各種科學和工程挑戰。

　　上述項目受到了安徽省、上海市、科技部、中國科學院和基金委的支持。

　　論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/issues/131/15

　　(合肥微尺度物質科學國家研究中心、物理學院、中國科學院量子信息與量子科技創新研究院、科研部)