基本介紹
- 中文名：九章三號
- 所屬類別：信息科學、數理科學、光學工程、計算機
- 研發團隊：中國科學技術大學、中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心
- 發布時間：2023年10月11日
概念,發展歷史,科學背景,性能,技術創新,研發單位與經費,重要意義,
概念
“九章三號”是“九章”系列的第三代光量子計算原型機，於中國科學技術大學潘建偉院士領銜的陸朝陽教授課題組與中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心合作研發，能操縱255個光子。
2023年10月11日，國際知名學術期刊《物理評論快報》刊登了這一科研成果，根據公開正式發表的最優經典精確採樣算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號”提升一百萬倍。“九章三號”在百萬分之一秒時間內所處理的最高複雜度的樣本，需要成果公布時最強的超級計算機“前沿”（Frontier）花費超過二百億年的時間。這一研究進一步鞏固了中國在光量子計算領域的國際領先地位。
圖1：九章三號原理圖
發展歷史
2020年，中國科學技術大學團隊成功構建76光子的“九章”光量子計算原型機。
2021年，中科大團隊進一步成功研製了113光子的可相位編程的“九章二號”和56比特的“祖沖之二號”量子計算原型機。
2023年10月11日，中國科學技術大學潘建偉、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，宣布成功構建255個光子的量子計算原型機“九章三號”，刷新了光量子信息的技術水平和量子計算優越性的世界紀錄。
科學背景
量子計算是後摩爾時代的一種新的計算範式，它在原理上具有超快的並行計算能力，可望通過特定量子算法在一些具有重大社會和經濟價值的問題方面相比經典計算機實現指數級別的加速。因而，研製量子計算機是當前世界科技前沿的最大挑戰之一。
為此，國際學術界制定了三步走的發展路線。其中，第一步是實現“量子計算優越性”，即通過對近百個量子比特的高精度量子調控，對特定問題的求解展現超級計算機無法比擬的算力，這標誌著40年前 Feynman等人的夢想成為現實。“量子計算優越性”實驗還可用於檢驗計算科學的“擴展的丘奇—圖靈論題”。同時，在此過程中，發展出可擴展的量子調控技術，為具備容錯能力的通用量子計算機的研製提供技術基礎。
2019年，美國谷歌公司和加州大學發布了53比特“懸鈴木”超導量子計算處理器，宣稱用200秒求解的隨機線路採樣問題需要超級計算機一萬年時間求解。然而，這一宣稱隨後受到了中國科學家的挑戰，改進後的經典算法使得超算上的計算時間從一萬年縮短到數十秒，快於“懸鈴木”量子處理器。
2020年，中國科學技術大學潘建偉院士領銜的陸朝陽教授課題組成功構建76光子的“九章”光量子計算原型機，首次在國際上實現光學體系的“量子計算優越性”，並克服了谷歌實驗中量子優越性依賴於樣本數量的漏洞。2021年，中國科大團隊進一步成功研製了113光子的可相位編程的“九章二號”和56比特的“祖沖之二號”量子計算原型機，使中國成為唯一在光學和超導兩種技術路線都達到了“量子計算優越性”的國家。
在這個“量子計算優越性”戰略高地，國際競爭呈現出白熱化。位於加拿大多倫多的Xanadu公司與美國國家標準與技術研究院合作，採用與“九章”光量子計算原型機相同的高斯玻色取樣路線，在2022年發布了216光子的“北極光”量子處理器，在國際上第二個實現了光學體系“量子計算優越性”。
圖2：光量子計算發展歷史
性能
“九章三號”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號”提升一百萬倍。
技術創新
中國科學技術大學潘建偉院士領銜的陸朝陽教授課題組在理論上首次發展了包含光子全同性的新理論模型，實現了更精確的理論與實驗的吻合；同時，發展了完備的貝葉斯驗證和關聯函式驗證，全面排除了所有已知的經典仿冒算法，為量子計算優越性提供了進一步數據支撐。在技術上，研製了基於光纖時間延遲環的超導納米線探測器，把多光子態分束到不同空間模式並通過延時把空間轉化為時間，實現了準光子數可分辨的探測系統。這一系列創新使得研究團隊首次實現了對255個光子的操縱能力，極大地提升了光量子計算的複雜度，處理高斯玻色取樣的速度比“九章二號”提升了一百萬倍。在激烈的國際競爭角逐中，“九章三號”的實現進一步鞏固了中國在光量子計算領域的國際領先地位。
研發單位與經費
“九章三號”由中國科學技術大學潘建偉院士領銜的陸朝陽教授課題組與中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心合作自主研發。主要由陸朝陽帶領年齡段為“90後”、“95後”的博士研究生完成，研發人員規模只有谷歌團隊的5%。 “九章”的研發經費約為3000萬人民幣，而谷歌研發“懸鈴木”經費體量是10億美元。
圖3：九章研發隊伍和經費和谷歌的對比
重要意義
“九章三號”在百萬分之一秒時間內所處理的最高複雜度的樣本，需要當前最強的超級計算機“前沿”花費超過二百億年的時間。這一成果進一步鞏固了中國在光量子計算領域的國際領先地位。
“九章三號”的成果進一步鞏固了中國在光量子計算領域的國際領先地位。研究人員表示，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疊代實現的，量子技術的實用化是一場接力長跑。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，研製可程式的通用量子計算機。研究團隊表示，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。
