记者5月13日晚从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟、陆朝阳、张强、刘乃乐等学者，联合外单位成功研制出可编程量子计算原型机“九章四号”，首次操纵和探测高达3050个光子的量子态。在被应用于高效求解高斯玻色采样任务时，其计算速度相比当前全球最快的超级计算机El Capitan快10的54次方倍，成功建立了国际上最强的“量子计算优越性”。相关成果以论文形式在国际权威学术期刊《自然》发表。
“九章四号”原型机示意图。中国科大供图
量子计算利用量子叠加与纠缠特性，在特定问题上可实现远超经典计算机的处理能力。“量子计算优越性”是量子计算具备应用价值的前提条件，也是当前一个国家量子计算研究实力的直接体现。
在这一全球竞争中，中国科大联合团队就同一任务在超算上的求解时间和能耗，全面打破了美国谷歌公司2019年的“量子霸权”宣称，重新定义了“量子计算优越性”的边界。
2020年，中国科大团队成功研制76光子的“九章”光量子计算原型机，在国际上首次在光学体系中实现量子计算优越性。2021年，中国科大团队将光子数提升至113，推出可相位编程的“九章二号”；同年研制成功56比特超导原型机“祖冲之二号”，使得中国成为全球唯一在光量子和超导量子两种系统均达到量子计算优越性的国家。2023年，“九章三号”再将光子数刷新至255，量子优势比进一步提升，持续保持领先。
光量子计算的国际竞争态势。中国科大供图
据“九章”系列团队介绍，在开发大规模量子处理器的过程中，由于编码线路日益庞大复杂，不可避免的光子损耗一直严重制约着系统的可扩展性。针对这一问题，“九章四号”团队研发了高效率的光参量振荡器光源和时空混合编码干涉仪，实现了92％的光源效率和51％的系统总效率。该时空混合编码架构实现了连接度的立方级扩展，使得系统能够在巨大希尔伯特空间中进行采样。这一系列创新使研究团队获得了对高达3050个光子的操纵和探测能力，比之前最好结果提升超过10倍。
“九章四号”相对目前最快超级计算机的加速比。中国科大供图
团队将实验结果与当前所有最先进的经典模拟方法进行了对比基准测试，特别是针对利用光子损耗而设计的矩阵乘积态算法。结果表明，“九章四号”生成一个样本仅需25秒，而使用目前世界上最强大的超级计算机“El Capitan”和目前最好的经典算法，需要时间超过10的42次方年。“九章四号”展示出的量子优势比达到10的54次方量级。
“九章四号”量子计算原型机。胡毅洋摄
“‘九章四号’成果代表了低损耗光量子处理器在规模和复杂度上的重大飞跃，进一步巩固了我国在光量子计算领域的世界领先地位。”团队专家表示。
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