導(dǎo)  讀

    中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)，與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。這一突破使我國成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個里程碑——量子計(jì)算優(yōu)越性。

    今天，我國在量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了里程碑式的突破！

    北京時間12月4日，國際頂尖雜志《Science》刊發(fā)了我國在量子計(jì)算領(lǐng)域的一項(xiàng)重磅研究成果——中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)，與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。這一突破使我國成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個里程碑——量子計(jì)算優(yōu)越性（Quantum Supremacy，國外也稱之為“量子霸權(quán)”）。

    20年砥礪，實(shí)現(xiàn)200秒突破

    “量子霸權(quán)”一詞是美國加州理工學(xué)院物理學(xué)家約翰·普瑞斯基爾提出的，它代表了大多數(shù)量子學(xué)家們的看法：當(dāng)可以精確操縱的量子比特超過一定數(shù)目時，量子計(jì)算機(jī)在特定任務(wù)上的計(jì)算能力就能遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

    去年9月，英國權(quán)威雜志《自然》刊出了谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)的最新科研工作成果——該團(tuán)隊(duì)基于一個包含53個可用量子比特的可編程超導(dǎo)量子處理器，運(yùn)行隨機(jī)量子線路進(jìn)行采樣，耗時約200秒可進(jìn)行100萬次采樣，并且估計(jì)如果使用當(dāng)時最強(qiáng)超算Summit來計(jì)算得到同樣的結(jié)果，需耗費(fèi)約1萬年。據(jù)此，谷歌宣稱實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。

    然而，谷歌的“稱霸”卻頗具爭議，IBM指出谷歌對隨機(jī)量子線路的經(jīng)典模擬優(yōu)化得并不好，如果采用內(nèi)存和硬盤混合存儲方案，模擬53比特、20深度的量子隨機(jī)線路采樣，僅需2．5天。對此，加拿大卡爾加里大學(xué)教授、量子科學(xué)和技術(shù)研究所所長Barry Sanders 也曾提出，谷歌的該項(xiàng)成果是有爭議的。

    但是，對于“九章”而言，Barry Sanders卻毫不吝嗇贊美之詞：“我認(rèn)為這是量子計(jì)算領(lǐng)域最重要的成果之一。這個實(shí)驗(yàn)不存在爭論，毫無疑問，該實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)器的模擬能力，實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)器的模擬能力。這個實(shí)驗(yàn)技術(shù)挑戰(zhàn)非常巨大。為了獲得此結(jié)果，他們必須解決許多非常困難的技術(shù)問題。僅僅在技術(shù)層面上，他們所取得的成就也令人印象深刻。這是人們夢寐以求的實(shí)驗(yàn)，他們做成了，讓夢想走進(jìn)現(xiàn)實(shí)?！?/p>

    具體而言，當(dāng)求解 5000 萬個樣本的高斯玻色取樣時，“九章”需 200 秒，而目前世界最快的超級計(jì)算機(jī)“富岳”需6億年。等效比較，“九章”比谷歌去年發(fā)布的53比特量子計(jì)算原型機(jī) “懸鈴木”快一百億倍，同時，通過高斯玻色取樣證明的量子計(jì)算優(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量，克服了谷歌53比特隨機(jī)線路取樣實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。

    正如Barry Sanders所言，為了獲得此項(xiàng)成果，潘建偉團(tuán)隊(duì)解決了許多非常困難的技術(shù)問題，歷經(jīng)20年，主要攻克高品質(zhì)光子源、高精度鎖相、規(guī)?；缮嫒蠹夹g(shù)難題。潘建偉在接受采訪時表示：“我們實(shí)驗(yàn)中要用到的一些關(guān)鍵器件，國外一直對我們進(jìn)行禁運(yùn)，但是我們靠自己、靠國內(nèi)協(xié)作單位，做出了世界上最好的量子光源。畢竟，科學(xué)是為服務(wù)全人類的?！?/p>

    量子計(jì)算本身是一門深奧、復(fù)雜的學(xué)科，其應(yīng)用落地對產(chǎn)業(yè)而言也是突破性的提升。量子計(jì)算機(jī)超快的并行計(jì)算能力，在密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等場景中，相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)指數(shù)級別的提速。

    搶占量子技術(shù)先機(jī)，擺脫卡脖子

    國際層面，美國近期公布了量子計(jì)算領(lǐng)域的最新計(jì)劃，歐盟、英國、日本等國家也早已開始布局，足可見得量子技術(shù)的重要性。

    實(shí)際上，我國在量子計(jì)算領(lǐng)域早有建樹。在光量子信息處理方面，潘建偉團(tuán)隊(duì)早在2017 年就構(gòu)建出了世界首臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)（ENIAC）的光量子計(jì)算原型機(jī)；2019 年，該團(tuán)隊(duì)還研制出了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實(shí)現(xiàn)了 20 光子輸入 60 模式干涉線路的玻色取樣，輸出復(fù)雜度相當(dāng)于 48 個量子比特的希爾伯特態(tài)空間，效果逼近 “量子計(jì)算優(yōu)越性”。

    國家層面，今年10月，中共中央政治局就“量子科技研究和應(yīng)用前景”舉行了第二十四次集體學(xué)習(xí)，習(xí)近平總書記在集體學(xué)習(xí)中強(qiáng)調(diào)，要充分認(rèn)識推動量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢，下好先手棋。至此，量子科技正式上升為國家戰(zhàn)略，成為我國搶占未來世界科技制高點(diǎn)的重要武器。

    隨后，在11月公布的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中，明確了人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學(xué)、生物育種、空天科技、深地深海等八個科技前沿領(lǐng)域，并明確要實(shí)施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項(xiàng)目。

    除量子計(jì)算外，面向整個量子科技的紅利市場，中國也已經(jīng)開始行動。

    1、量子通信

    量子通信是指利用量子疊加態(tài)或量子糾纏效應(yīng)等進(jìn)行信息或密鑰傳輸，基于量子力學(xué)原理保證傳輸安全性，主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩類。

    2016年8月升空的“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和2017年9月開通的量子通信“京滬干線”，使我國成為世界量子通信應(yīng)用的領(lǐng)先者。兩者結(jié)合，中國成功與奧地利實(shí)現(xiàn)了世界首次洲際量子保密通信，也標(biāo)志著中國已構(gòu)建出天地一體化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形。

    2、量子測量

    量子測量基于微觀粒子系統(tǒng)及其量子態(tài)的精密測量，完成被測系統(tǒng)物理量的執(zhí)行變換和信息輸出，在測量精度、靈敏度和穩(wěn)定性等方面比傳統(tǒng)測量技術(shù)有明顯優(yōu)勢。

    目前國內(nèi)量子測量產(chǎn)業(yè)企業(yè)要屬以量子精密測量為核心技術(shù)的國儀量子（合肥）技術(shù)有限公司，該公司技術(shù)源于中科院院士杜江峰領(lǐng)導(dǎo)的中科大中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。其開發(fā)的脈沖式電子順磁共振波譜儀、鉆石單自旋量子精密測量譜儀等產(chǎn)品已在科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域進(jìn)行銷售，在能源探測設(shè)備研制和電力電網(wǎng)領(lǐng)域進(jìn)行了合作，其中鉆石單自旋量子精密測量儀已有數(shù)千萬元的訂單。

    寫在最后

    量子領(lǐng)域已逐漸成為各個科技強(qiáng)國的未來戰(zhàn)場，如今，繼量子通信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)國際領(lǐng)先后，我國在量子計(jì)算領(lǐng)域再次迎來里程碑式的突破，加之國家層面正式定調(diào)，我國量子科技領(lǐng)域即將迎來大規(guī)模投入、研究階段。

    正如潘建偉對本次量子霸權(quán)的評價(jià)：“這是一個動態(tài)過程，所有領(lǐng)先都只是暫時的?！毕嘈旁趪艺叻龀峙c學(xué)術(shù)界的努力之下，我國量子科技的整體實(shí)力將持續(xù)上升、領(lǐng)跑國際！