255個(gè)光子、比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快1.8億倍，“九章三號(hào)”來(lái)破紀(jì)錄了！

11日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽(yáng)、劉乃樂(lè)等組成的研究團(tuán)隊(duì)，與中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建了255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”，再度刷新了光量子信息的技術(shù)水平和量子計(jì)算優(yōu)越性的世界紀(jì)錄。

科研人員設(shè)計(jì)了時(shí)空解復(fù)用的光子探測(cè)新方法，構(gòu)建了高保真度的準(zhǔn)光子數(shù)可分辨探測(cè)器，提升了光子操縱水平和量子計(jì)算復(fù)雜度。根據(jù)公開(kāi)正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典精確采樣算法，“九章三號(hào)”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號(hào)”提升一百萬(wàn)倍?！熬耪氯?hào)”在百萬(wàn)分之一秒時(shí)間內(nèi)所處理的最高復(fù)雜度的樣本，需要當(dāng)前最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”（Frontier）花費(fèi)超過(guò)二百億年的時(shí)間。這一成果進(jìn)一步鞏固了我國(guó)在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位。

在構(gòu)建“九章”系列光量子計(jì)算原型機(jī)的基礎(chǔ)上，中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系，完成對(duì)稠密子圖和Max-Haf兩類(lèi)具有實(shí)用價(jià)值的圖論問(wèn)題的求解，相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)精確模擬的速度快1.8億倍。此外，還在國(guó)際上首次演示了無(wú)條件的多光子量子精密測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)。

從76個(gè)光子，到113個(gè)光子，再到255個(gè)光子

量子計(jì)算機(jī)在原理上可通過(guò)特定算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問(wèn)題方面，獲得比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更強(qiáng)的算力。早在1981年，費(fèi)曼就提出了量子計(jì)算的初步想法。大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)是世界科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一。對(duì)于研制容錯(cuò)的通用量子計(jì)算，因其苛刻的容錯(cuò)閾值和大尺度的量子比特?cái)?shù)目，離目前人類(lèi)的科技發(fā)展水平尚有不小的差距。

因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)于量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)，國(guó)際學(xué)術(shù)界采取三步走的路線(xiàn)圖。其中，第一個(gè)里程碑，在學(xué)術(shù)上被稱(chēng)為“量子計(jì)算優(yōu)越性”，其含義是通過(guò)高精度地操縱近百個(gè)物理比特，用來(lái)高效地解決超級(jí)計(jì)算機(jī)都無(wú)法在合理時(shí)間內(nèi)解決的特定的高復(fù)雜度數(shù)學(xué)問(wèn)題，從實(shí)驗(yàn)上確鑿地證明四十年前費(fèi)曼所提出來(lái)地量子計(jì)算加速設(shè)想，并駁斥“擴(kuò)展丘奇—圖靈論題”。

基于光子的玻色取樣和基于超導(dǎo)比特的隨機(jī)線(xiàn)路取樣是實(shí)驗(yàn)展示量子計(jì)算優(yōu)越性的兩個(gè)重要方案。潘建偉團(tuán)隊(duì)一直在光量子信息處理方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平。2017年，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算原型機(jī)。2019年，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國(guó)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(xiàn)路的玻色取樣，輸出希爾伯特態(tài)空間維度達(dá)到1014，逼近了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

2020年，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了76個(gè)光子100個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)到了1030，處理高斯玻色取樣的速度比超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍，同時(shí)克服了谷歌基于“懸鈴木”超導(dǎo)處理器的隨機(jī)線(xiàn)路取樣實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴(lài)于樣本數(shù)量的漏洞。

2021年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)、劉乃樂(lè)等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，發(fā)展了量子光源受激放大的理論和實(shí)驗(yàn)方法，構(gòu)建了113個(gè)光子144模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號(hào)”，并實(shí)現(xiàn)了相位可編程功能，完成了對(duì)用于演示“量子計(jì)算優(yōu)越性”的高斯玻色取樣任務(wù)的快速求解?！熬耪露?hào)”處理高斯玻色取樣的速度比當(dāng)時(shí)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快10的24次方倍。

光量子到底是什么？

光量子又稱(chēng)為光子。這個(gè)名詞是愛(ài)因斯坦1905年在公開(kāi)發(fā)表的一篇著名論文中首先提出的，由于光子學(xué)說(shuō)的巨大成功，愛(ài)因斯坦獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

那么，究竟什么是光量子呢？在日常生活中，光是最為人們所熟悉的東西。如果沒(méi)有光，人們簡(jiǎn)直無(wú)法生活。但是，人們認(rèn)識(shí)光的本性卻經(jīng)過(guò)了艱難而又曲折的道路。

以牛頓為代表的一種理論認(rèn)為，物體發(fā)光是因?yàn)樗l(fā)射出光的粒子（微粒）流，我們之所以能看到光，是由于這些粒子落到眼睛上引起了視覺(jué)。按照這個(gè)理論，人們把光的反射現(xiàn)象解釋為光的粒子在反射面上發(fā)生了彈性碰撞而造成的結(jié)果。

然而與牛頓同時(shí)代的惠更斯則認(rèn)為，物體發(fā)出的光是一種波動(dòng)，這種波動(dòng)不同于人們通常觀(guān)察到的水波和聲波——它們都有傳播波動(dòng)的介質(zhì)，水波的傳播介質(zhì)是水，聲波的傳播介質(zhì)是空氣或其他液體和固體，而光波的傳播是在真空中進(jìn)行的，也就是說(shuō)光波以真空為介質(zhì)。

這兩種理論一開(kāi)始就發(fā)生了沖突，但由于牛頓在科學(xué)界的崇高威望，光的微粒說(shuō)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)占統(tǒng)治地位。直到19世紀(jì)初，楊氏、菲涅爾、夫瑯和費(fèi)新發(fā)現(xiàn)的光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，與惠更斯的光的波動(dòng)說(shuō)十分吻合，而牛頓的光的微粒說(shuō)對(duì)此卻無(wú)法做出解釋。

隨著光學(xué)儀器的發(fā)展，光學(xué)理論也有了很大的進(jìn)展。麥克斯韋證明了光波是一種電磁波后，光的波動(dòng)理論似乎完全被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，光是波動(dòng)的說(shuō)法也為人們普遍接受。

但是，光是波動(dòng)的理論在光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果面前卻一直顯得無(wú)能為力。所謂光電效應(yīng)指的是：當(dāng)用光照射金屬表面時(shí)，會(huì)把電子從金屬中打出來(lái)。早在1872年，莫斯科大學(xué)的斯托列托夫就已發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象，以后德國(guó)物理學(xué)家赫茲和雷納德對(duì)此也進(jìn)行了研究。當(dāng)人們?cè)噲D用光的波動(dòng)說(shuō)去解釋光電效應(yīng)時(shí)，得出的結(jié)論是：當(dāng)光的強(qiáng)度增大時(shí)，從金屬中被打出來(lái)的電子的速度也應(yīng)增大。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用同一頻率的光照射時(shí)，不論光的強(qiáng)度多大，所有觀(guān)察到的電子都具有同樣的速度，也就是說(shuō)，從金屬中被打出來(lái)的電子的速度與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)！而且當(dāng)光的頻率達(dá)到某個(gè)極限值時(shí)，才會(huì)在光照條件下使電子從金屬中飛出。而且，從金屬中能不能打出電子與光的頻率有關(guān)，即用紫光照射時(shí)飛出電子的速度比用紅光照射時(shí)飛出電子的速度大！于是，光是波動(dòng)的說(shuō)法在實(shí)驗(yàn)面前陷入了困境。

愛(ài)因斯坦以創(chuàng)造性的思維完全從一個(gè)不同的角度去考察了光電效應(yīng)。他提出了光是光量子的理論。按照這個(gè)理論，光的能量是由一份一份的不連續(xù)的最小單元能量組成的，而這個(gè)單元能量大小和光的頻率正好成正比關(guān)系。光仍然像波動(dòng)一樣具有頻率（或波長(zhǎng)），但是光還具有微小“粒子”的特性——一個(gè)一個(gè)的能量單元。這樣，光無(wú)非就是一束能量流，其中最小的單元能量就稱(chēng)為光量子（光子）。當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，光就把光量子的能量傳遞給電子，光量子就消失了，而電子得到光子的能量，再加上它自身的能量就可能從金屬中飛出。由于光量子能量只與光的頻率有關(guān)，因此只有大于一定頻率的光，才能提供足夠的能量使電子從金屬中被打出來(lái)。這樣，光量子的理論就以簡(jiǎn)潔清晰的方式解釋了光電效應(yīng)。

愛(ài)因斯坦的成功使他榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但是光量子理論卻把100多年前關(guān)于光的本性的問(wèn)題的討論又重新擺到人們面前，光究竟是什么？是波動(dòng)還是粒子？

物理學(xué)的發(fā)展已經(jīng)使人們不得不接受這樣的說(shuō)法，即光有時(shí)以波動(dòng)的面目出現(xiàn)（如光的干涉和衍射），有時(shí)又以粒子的姿態(tài)出現(xiàn)（如光的人射和反射），但是光既不是如同水波、聲波那樣的波動(dòng)，也不是如同微小質(zhì)點(diǎn)那樣的物質(zhì)粒子，光具有波動(dòng)－粒子的二象性，也就是波粒二象性。

那么為什么人們看到的太陽(yáng)光或其他光源發(fā)出的光總是穩(wěn)定的、連續(xù)的，而不是一份一份的呢？這是因?yàn)楣饬孔拥哪芰课⒑跗湮ⅲ脭?shù)學(xué)形式表示出來(lái)就是著名的普朗克關(guān)系E=hv，h稱(chēng)為普朗克常數(shù)，數(shù)值是6.62618×10-34焦 秒，雖然這個(gè)數(shù)值如此微小，但對(duì)于物理學(xué)的發(fā)展，對(duì)于人們認(rèn)識(shí)光的本性的作用卻大得很呢。假設(shè)我們點(diǎn)亮一盞25瓦的電燈泡，并把發(fā)出的光都看成黃光，那么這束光就包含有6×1019個(gè)光量子的能量單元，或者說(shuō)，這束光發(fā)出了6×1019個(gè)光量子，即每秒發(fā)出6000億億份能量單元。由于人的肉眼具有的視覺(jué)暫留特征，因此，當(dāng)如此多的光量子以如此快的速度人射時(shí)，人的眼睛根本察覺(jué)不到一份一份的光量子，所看到的就是一束連續(xù)的光。

由此可見(jiàn)，光量子指的是能量的最小單元，它不是物質(zhì)粒子。雖然光量子的能量大小與頻率有關(guān)，但它也不是通常我們看到的波動(dòng)。

總的來(lái)說(shuō)，量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)并不是一個(gè)一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計(jì)算硬件之間的競(jìng)爭(zhēng)，但最終量子并行性會(huì)產(chǎn)生經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法企及的算力。

來(lái)源：科普中國(guó)綜合科技日?qǐng)?bào)