「九章三號」量子計算原型機問世 中國確立算力新里程碑

新華社合肥10月11日電 題：「九章三號」量子計算原型機問世 中國確立算力新里程碑

新華社記者何曦悅、徐海濤、郭鑫

中國科研團隊11日宣佈，成功構建量子計算原型機「九章三號」，再度刷新光量子信息技術世界紀錄。「九章三號」求解高斯玻色取樣數學問題的速度比目前全球最快的超級計算機快一億億倍。

這是繼2020年實現「量子優越性」後，中國科研團隊再次確立量子算力的新里程碑。

根據中國科學技術大學11日公佈的消息，255個光子的「九章三號」量子計算原型機由該校潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中國科學院上海微系統與信息技術研究所、國家並行計算機工程技術研究中心合作構建。當天，國際知名學術期刊《物理評論快報》也發表了這一科研成果。

量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式，1981年，盧保獎獲得者李察·費曼首先提出了量子計算機構想。「九章」則得名於中國古代數學專著《九章算術》，這部書總結了戰國、秦、漢時期的數學成就。

國際學術界通常對量子計算的實驗發展製定「三步走」的路線圖，其中第一步就是實現「量子優越性」，即通過高精度地操縱近百個物理比特，高效求解超級計算機無法在合理時間內解決的特定高複雜度數學問題。

「‘量子優越性’像個門檻，是指當新生的量子計算原型機，在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機，就證明其未來有多方超越的可能。」中國科大教授陸朝陽說，多年來國際學界高度關注、期待這個裡程碑式轉折點到來。

2019年，美國Google公司宣佈研製出53個量子比特的計算機「懸鈴木」，在全球首次實現「量子優越性」。2020年，潘建偉團隊構建76個光子的量子計算原型機，取名「九章」。「九章」處理高斯玻色取樣問題的速度比當時最快的超級計算機快一百萬億倍，使中國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家。

2021年，該團隊又成功研製113個光子的「九章二號」和66比特的「祖衝之二號」量子計算原型機，使中國成為唯一在光學和超導兩條技術路線都實現量子優越性的國家。

此次最新發佈的「九章三號」首次實現了對255個光子的操縱能力，極大提升了計算的複雜度。根據業界公開的最優算法，「九章三號」處理高斯玻色取樣的速度比「九章二號」提升一百萬倍，「九章三號」1微秒可算出的最複雜樣本，當前全球最快的超級計算機「前沿」約需200億年。

高斯玻色取樣是一個計算概率分佈的算法，可用於編碼和求解多種問題，需要極大的運算量。

「‘九章三號’較‘九章二號’最大的升級就在於‘時空解複用的光纖環’上，過去的‘九章二號’無法解析光子具體數量，光纖環的應用能夠大幅度提高光子的操縱水平。」陸朝陽說，與此同時，受激量子光源也是目前世界上損耗率最低、模式數最多的，提高了光子數和品質，提升了計算的複雜度。

「量子計算機在原理上具有超快的並行計算能力，可望通過特定算法在密碼破譯、大數據優化、天氣預報、材料設計、藥物分析等領域，提供比傳統計算機更強的算力支持。」潘建偉說。

當前，國際量子計算研究呈加速態勢，量子計算成為全球各國科研和戰略佈局的重點，包括IBM、Google等在內的科技巨頭不斷加碼，各國政府和行業也正加速對量子計算的研發投資和政策扶持。

「通用量子計算機需要操縱上千萬的量子比特，同時也要具備糾錯能力，這些都是目前九章系列量子計算原型機需要迭代實現的，量子技術的實用化是一場接力長跑。」陸朝陽說。

根據量子計算「三步走」路線圖，第二步是研製可操縱數百個量子比特的量子模擬機，解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題。第三步，大幅提高量子比特的操縱精度、集成數量和容錯能力，研製可編程的通用量子計算機。

國際主流觀點認為，要研製通用型量子計算機，至少還需要5年到10年時間。

潘建偉團隊表示，期待這次突破能激發科學界更多關於經典算法模擬的研究，逐步解決各種科學和工程挑戰，加快實現通用型量子計算機推動經濟社會發展。