在很多人印象中，运行速度最快的肯定是超级计算机，但物理学家们正在颠覆这一历史。
近日中国在量子计算领域，光量子和超导量子两大量子计算系统再次取得重要进展，由中国科学技术大学中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等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联合进行合作，发展了量子光源受激放大的理论和实验方法，在光量子计算原型机 “九章一号” 实现了基于 113 个光子的 144 个模式的量子计算和相位可编程功能，完成了高斯玻色取样任务的快速求解。
“九章二号” 目前处理速度比目前最快的超级计算机还要快 10 倍，这一成果再次刷新了中国在光量子操纵的技术水平，进一步地提供了量子计算加速的实验证据。
图丨基于 144 模式干涉仪的“九章二号” 量子计算原型机（来源：中科大）
几乎同时，同样由中国科学技术大学中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组与中科院上海技术物理研究所进行合作，在 “祖冲之号” 基础上构建了新一代的 66 比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之 2.0 与 2.1”，实现了对量子随机线路取样任务的快速求解。“祖冲之 2.1” 处理速度比目前最快的超级计算机要快上 7 个数量级，计算复杂度比谷歌公开报道的53比特超导量子计算原型机 “悬铃木” 提高了 6 个数量级。
基于光量子和超导量子比特的计算系统
那么这两项重大成果意义如何呢？让我们简单回顾一下光量子计算和超导量子计算的原理和发展历史。量子计算技术主要通过发展高精度、高效率的量子态制备与相互作用控制技术，实现规模化的量子比特相干操纵。基于光量子的高斯玻色取样和基于超导量子比特的随机线路取样是展示量子计算优越性的两个重要方案。
图丨 “九章二号” 量子计算原型机整体装置示意图（来源：中科大）
在光量子计算研究中的重要步骤是高斯玻色取样，这是一个从高度纠缠的多光子量子态定义的概率分布取样的过程，目的是通过少量关键样本来获取整体分布的关键信息。
通过由特制的量子光源发出的多光子同时进入光纤通道，在光纤通道末端则有高性能光子探测器，来准确捕获每个光子，所以整个实验的设计及操作是一个极其复杂的过程。
2020 年，潘建伟团队就成功构建了由 76 个光子 100 个模式下的高斯玻色取样第一代量子计算原型机 “九章”，输出量子态空间规模达到了 10 ，实现高斯玻色取样速度比超级计算机快一百万亿倍。
图丨 Transmon 量子比特原理图（来源：arXiv）
同时潘建伟团队在超导量子计算领域于 2021 年 5 月通过可编程二维量子行走构建了当时国际上量子比特数目最多的 62 比特的超导量子计算原型机 “祖冲之号”。
超导量子超导计算原型机上使用的是 Transmon（Transmission Line Shunted Plasma Oscillation）量子比特, 它的原理上是使用含有超导约瑟夫森效应（Josephson effect）的非线性振荡器，这种宏观量子效应使超电流在无电压的情况下可以通过弱连接的超导体，Transmon 最低的两种能量级被编码作为量子比特态。
每个量子比特态都有两条控制线路相连接，一条为用以驱动和状态的微波线路，一条为偏置磁通线路，用以调谐量子比特的震荡频率。同时由于芯片的网格结构，每个量子比特都与近邻通过可以快速开关的耦合器相连。通过量子编程的方式，实现了对量子随机线路取样，可用于执行任意量子算法的编程能力。
图丨 受激双模量子压缩光源产生原理图及高斯波色采样原理图（来源：arXiv）
“强的很” 的 “九章二号” 和 “祖冲之2.1” 问世
这一次在 2021 年，潘建伟团队在“九章”原型机的基础上又进行了一系列概念和技术的创新。受到激光原理中 “受激辐射光放大” 这一概念的启发，研究人员设计并实现了受激双模量子压缩光源，显著提高了量子光源的产率、品质和收集效率。
其次，通过三维集成和收集光路的紧凑设计，多光子量子干涉线路增加到了 144 个维度。由此，“九章二号” 探测到的光子数增加到了 113 个，输出态空间维度达到了 10 。进一步，通过动态调节压缩光的相位，研究人员实现了对高斯玻色取样矩阵的重新配置，演示了 “九章二号” 可用于求解不同参数数学问题的编程能力。
图丨 “祖冲之 2.1” 示意图及高斯波色采样原理图及随机线路取样原理图（来源，arXiv）
同样地，潘建伟团队在“祖冲之号”的基础上采用全新的倒装焊 3D 封装工艺解决了大规模比特集成的问题，研制成功“祖冲之 2.1”，实现了 66 个数据比特、110 个耦合比特、11 路读取的高密度集成，最大态空间维度达到了 10 。
“祖冲之 2.0” 采用可调耦合架构，实现了比特间耦合强度的快速、精确可调，显著提高了并行量子门操作的保真度。基于超导量子比特与光量子比特技术是国际公认的有望实现量子计算的物理体系，量子计算机对特定问题的求解超越超级计算机即量子计算优越性，是量子计算发展的一个重要的里程碑。而以上这些工作奠定了中国成为在光量子计算和超导量子计算两大体系领域同时达到 “量子计算优越性” 里程碑的唯一国家。
量子计算研究进入全新阶段
来自加拿大 Calgary 大学的著名量子物理学家 Barry Sanders 教授在受邀撰写长篇文章评论这两项重大工作时，高度称赞了这两项重大突破，并表示量子计算超过传统超级计算机（The point at which a quantum computer outperforms the best possibleclassical computer）这一点已经毋庸置疑地成为现实。
量子计算优越性的成功演示标志着量子计算研究进入到发展的全新阶段，即将开始量子纠错和近期应用新的探索。
例如凭借 “祖冲之二号” 采用的二维网格比特排布芯片架构，直接兼容表面码量子纠错算法为量子纠错并进一步实现通用量子计算奠定了基矗
潘建伟及其团队主要从事量子物理和量子信息等方面的研究，同时他作为国际上量子信息实验研究领域开拓者之一，是该领域有重要国际影响力的科学家，取得了一系列有重要意义的研究成果。
潘建伟表示，下一步他们团队希望能够通过 4 到 5 年的努力实现量子纠错，在使用量子纠错的基础之上，我们就可以来探索用一些专用的量子计算机或者量子模拟机来解决一些具有重大应用价值的科学问题。
有意思的是 “九章” 的名字来源于中国公元一世纪的数学古典著作，祖冲之则是中国南北朝时间著名的数学家，两大量子计算系统以这种“中国化”方式进行命名，则体现了中国科研人员的科研能力自信和实现民族伟大复兴的远大抱负。
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参考文献：
1.Zhong H S, Deng Y H, Qin J, et al. Phase-programmable gaussian bosonsampling using stimulated squeezed light[J]. arXiv preprint arXiv:2106.15534,2021.
2.Wu Y, Bao W S, Cao S, et al. Strong quantum computational advantage using asuperconducting quantum processor[J]. arXiv preprint arXiv:2106.14734, 2021.
3.Zhu Q, Cao S, Chen F, et al. Quantum Computational Advantage via 60-Qubit24-Cycle Random Circuit Sampling[J]. arXiv preprint arXiv:2109.03494, 2021.
4.Gong M, Wang S, Zha C, et al. Quantum walks on a programmabletwo-dimensional 62-qubit superconducting processor[J]. Science, 2021, 372(6545):948-952.
5.https://physics.aps.org/articles/v14/147
6.http://news.ustc.edu.cn/info/1055/77185.htm
7.http://news.ustc.edu.cn/info/1055/77190.htm
