“九章三号”光量子计算机是中国科学技术大学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自主研发的255个光子的量子计算原型机[1]。“九章三号”实现了255个光子的操纵，是在2015年国家自然科学一等奖（8光子）之后的一个实质性飞跃。
根据公开正式发表的最优经典精确采样算法，“九章三号”处理高斯玻色取样的速度比上一代“九章二号”提升一百万倍。“九章三号”在百万分之一秒时间内所处理的最高复杂度的样本，需要最强的超级计算机“前沿”（Frontier）花费超过二百亿年的时间。这一研究进一步巩固了中国在光量子计算领域的国际领先地位[2]。
视频来源：本视频由袁岚峰老师讲解，由新华社录制，墨子沙龙重新编辑
科学背景
量子计算是后摩尔时代的一种新的计算范式，它在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定量子算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面相比经典计算机实现指数级别的加速。因而，研制量子计算机是当前世界科技前沿的最大挑战之一。
为此，国际学术界制定了三步走的发展路线。其中，第一步是实现“量子计算优越性”，即通过对近百个量子比特的高精度量子调控，对特定问题的求解展现超级计算机无法比拟的算力，这标志着40年前 Feynman等人的梦想成为现实。“量子计算优越性”实验还可用于检验计算科学的“扩展的丘奇—图灵论题”。同时，在此过程中，发展出可扩展的量子调控技术，为具备容错能力的通用量子计算机的研制提供技术基础[3]。
发展历程
2017年，中国科学技术大学潘建伟院士领衔的陆朝阳教授课题组利用自主研发的高性能半导体量子点单光子源构建了世界首台在玻色采样问题上超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机[4]。
2019年，该课题组实现了20光子输入、60模式干涉的玻色采样问题求解，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[5]。
2019年，美国谷歌公司和加州大学发布了53比特“悬铃木”超导量子计算处理器，宣称用200秒求解的随机线路采样问题需要超级计算机一万年时间求解[4]。然而，这一宣称随后受到了中国科学家的挑战，改进后的经典算法使得超算上的计算时间从一万年缩短到数十秒，快于“悬铃木”量子处理器[5][6]。
2020年，课题组成功构建76光子的“九章”光量子计算原型机，首次在国际上实现光学体系的“量子计算优越性”，并克服了谷歌实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞[7][8]。2021年，中国科大团队进一步成功研制了113光子的可相位编程的“九章二号”[9][10]和56比特的“祖冲之二号”量子计算原型机[11][12]，使中国成为唯一在光学和超导两种技术路线都达到了“量子计算优越性”的国家。
在这个“量子计算优越性”战略高地，国际竞争呈现出白热化。位于加拿大多伦多的Xanadu公司与美国国家标准与技术研究院合作，采用与“九章”光量子计算原型机相同的高斯玻色取样路线，在2022年发布了216光子的“北极光”量子处理器，在国际上第二个实现了光学体系“量子计算优越性”[13]。
研发队伍与经费
“九章系列”的课题组成员主要由年龄段为“90后”、“95后”的博士研究生完成，研发人员规模只有谷歌团队的5%[14]。“九章”的研发经费约为3000万人民币，而谷歌研发“悬铃木”经费体量是10亿美元[15]。
技术创新
课题组在理论上首次发展了包含光子全同性的新理论模型，实现了更精确的理论与实验的吻合；同时，发展了完备的贝叶斯验证和关联函数验证，全面排除了所有已知的经典仿冒算法，为量子计算优越性提供了进一步数据支撑。在技术上，研制了基于光纤时间延迟环的超导纳米线探测器，把多光子态分束到不同空间模式并通过延时把空间转化为时间，实现了准光子数可分辨的探测系统。这一系列创新使得研究团队首次实现了对255个光子的操纵能力，极大地提升了光量子计算的复杂度，处理高斯玻色取样的速度比“九章二号”提升了一百万倍。在激烈的国际竞争角逐中，“九章三号”的实现进一步巩固了中国在光量子计算领域的国际领先地位[3]。
科学意义
“九章三号”的成果进一步巩固了中国在光量子计算领域的国际领先地位。研究人员表示，通用量子计算机需要操纵上千万的量子比特，同时也要具备纠错能力，这些都是目前九章系列量子计算原型机需要迭代实现的，量子技术的实用化是一场接力长跑。根据量子计算“三步走”路线图，第二步是研制可操纵数百个量子比特的量子模拟机，解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题。第三步，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机。研究团队表示，期待这次突破能激发科学界更多关于经典算法模拟的研究，逐步解决各种科学和工程挑战，加快实现通用型量子计算机推动经济社会发展[1]。
第三方评价
奥地利科学院院长、诺贝尔奖得主Anton Zeilinger[16]：“这项工作确实非常重要。全世界正在研发量子计算，致力于展示超越常规计算机的能力。这称为‘量子计算优越性’。”
德国马普所所长、沃尔夫奖得主Ignacio Cirac[16]：“总体来说，这是量子科技领域的一个重大突破，朝着研制相比经典计算机具有量子优势的量子设备迈出了一大步。”
美国麻省理工学院教授、美国青年科学家总统奖得主、斯隆奖得主Dirk Englund[16]：“这是一个划时代的成果。我认为这是一个了不起的成就。这是开发这些中型量子计算机的里程碑。”
英国皇家学会院士, 牛津大学校长Ian Walmsley[17]：“这毫无疑问是一个实验杰作、一个重要的里程碑。”
《自然》焦点新闻[17]：“与谷歌去年的工作不同，他们的成果几乎是任何经典计算机都无法匹敌的。”
美国智库兰德公司发布了《中美量子技术产业基础评估》报告。该报告由美国国防部（DOD）和工程部赞助研究，指出“中国在光子玻色采样量子计算领域明显处于世界领先地位。” [18]
国际计算机协会(ACM) ：这些实验使科学家能够提供令人信服的证据，证明量子计算机可以提供指数级的加速，而无需首先构建完全容错的量子计算机[19]。
相关获奖
2020年，“光学量子计算”入选中科院“率先行动”计划第一阶段重大科技成果
2020年，“九章”入选《科技日报》中国年度十大科技新闻
2020年，“九章”入选新华社评选的中国年度十大国内新闻
2020年，“九章”入选两院院士评选的中国科技十大进展新闻
2020年，陆朝阳教授获得美国光学学会Adolph Lomb奖章（每年世界范围一人，中国科学家在该奖项设立80年后首次入选）
2021年，“九章”入选联合国教科文组织Netexplo全球十大数字创新
2021年，“九章”获腾讯青少年科学小会和Science评选的年度科学突破榜首
2021年，陆朝阳教授关于九章的大会报告入选CLEO会议高登讲席James P. Gordon Memorial Speakership（每年世界范围一人，中国科学家首次入选）
2021年，“九章”入选美国光学学会“Optics in 2021”
2021年，“九章”获德国Falling Wall Top Ten Breakthroughs of the Year
2021年，陆朝阳教授获得美国物理学会Rolf Landauer and Charles Bennett量子计算奖（每年世界范围一人，中国科学家首次入选）
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2021年，“九章二号”入选《科技日报》中国年度十大科技新闻
2021年，“九章二号”入选美国物理学会年度十大进展Highlights of the Year
2022年，陆朝阳教授获得全球华人物理与天文学会亚洲成就奖
2022年，量子计算的应用：“实数量子力学检验”入选美国物理学会年度十大进展Highlights of the Year
2022年，陆朝阳教授入选中国光学工程学会会士
2023年，陆朝阳教授入选首届新基石研究员、何梁何利基金会科学与技术创新奖
参考文献及链接
[1]https://www.news.cn/tech/2023-10/11/c_1129911227.htm
[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.150601
[3]https://news.ustc.edu.cn/info/1055/84845.htm
[4]https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5
[5]https://mp.weixin.qq.com/s/Q_vI8gfemnGYA9kNnQelrQ
[6]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.090502
[7] http://m.xinhuanet.com/sh/2020-12/04/c_139562198.htm
[8]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe8770
[9]https://www.news.cn/science/2021-10/27/c_1310271413.htm
[10]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180502
[11]https://www.news.cn/politics/2021-10/26/c_1127996387.htm
[12]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180501
[13]https://mp.weixin.qq.com/s/ysd6Fu_Jw26qg5AauMIlxw
[14]https://news.cnstock.com/news,bwkx-202310-5133271.htm
[15]https://mp.weixin.qq.com/s/Pjli2rdlTEDzRIfrMMiHHg
[16]https://mp.weixin.qq.com/s/0qwnrpQfbBFRpaYCcZzXXg
[17] https://www.nature.com/articles/d41586-020-03434-7
[18]https://www.rand.org/pubs/research_reports/RRA869-1.html
[19]https://awards.acm.org/about/2020-acm-prize
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