“九章”是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的光量子計算原型機。
2020年，“九章”求解了最高達76光子的高斯玻色採樣問題，求解速度超越經典超級計算機，在國際上首次實現基於光學體系的量子計算優越性，使得中國成為全球第二個（第一個為2019年美國谷歌公司研發的“懸鈴木”超導量子計算處理器）實現“量子優越性”（國外稱“量子霸權”）的國家。2020年的“九章”實現了76個光子的操縱，是在2015年國家自然科學一等獎（8光子）之後的一個實質性飛躍。
基本介紹
- 中文名：九章
- 研發團隊：潘建偉團隊、中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心
- 所屬類別：信息科技
- 宣布時間：2020年12月4日
發展歷程,運算性能,系統原理,研發單位,研發經費,名稱來源,重要意義,學術影響力,所獲榮譽,專家評價,
發展歷程
2017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利用自主研發的高性能半導體量子點單光子源構建了世界首台在玻色採樣問題上超越早期經典計算機（ENIAC）的光量子計算原型機。
圖1：量子計算發展國際路線圖
2019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實現了20光子輸入、60模式干涉的玻色採樣問題求解，輸出複雜度相當於48個量子比特的希爾伯特態空間，逼近了量子計算優越性。
圖2：2017年中科大發布的基於單光子的量子計算實驗裝置。
2020年12月4日，國際學術期刊《科學》發表了中國科學技術大學潘建偉院士領銜的陸朝陽教授課題組通過量子計算原型機“九章” 實現量子計算優越性的工作，其輸出量子態空間規模達到了10^30。同天，審稿人評價這是“這是一個最先進的實驗和重大成就”。在這一研究中，該團隊自主研製了同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規模擴展能力的量子光源，同時滿足相位穩定、全連通隨機矩陣、波包重合度優於99.5%、通過率優於98%的100模式干涉線路，相對光程差小於10^-9以內的主動光學相位鎖定技術，以及高效率100通道超導納米線單光子探測器[15]。
圖3：九章光量子計算原型機照片
2021年10月，該團隊發展了量子光源受激放大的理論和實驗方法，構建了113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”，並實現了相位可程式功能，完成了對用於演示“量子計算優越性”的高斯玻色取樣任務的快速求解。這一成果再次刷新了國際上光量子操縱的技術水平，進一步提供了量子計算加速的實驗證據。相關論文於2021年10月26日以“編輯推薦”的形式發表在國際知名學術期刊《物理評論快報》上。
2023年6月，該團隊基於“九章”光量子計算原型機首次演示了對“稠密子圖”和“Max-Haf”兩類圖論套用問題的求解。
2023年9月，“九章”量子計算原型機相關科學元器件實物和原始資料入藏中國國家博物館。
圖4：中國國家博物館收藏證書
圖5：光量子計算發展歷史
運算性能
據《科學》期刊發表的學術論文，當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣時，“九章”需200秒，而根據截至2020年時的最優經典模擬算法，世界最快的超級計算機“富岳”需6億年；當求解100億個樣本時，“九章”需10小時，而“富岳”需1200億年。等效來看，“九章”的計算速度比“懸鈴木”快100億倍，並彌補了“懸鈴木”依賴樣本數量的技術漏洞。其算力在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在套用價值。
系統原理
左上方雷射系統產生高峰值功率的飛秒脈衝，左方25個量子光源通過參量下轉換過程產生50路單模壓縮態，輸入到右方100模式光量子干涉網路，最後利用100個高效率超導納米線單光子探測器對干涉儀輸出的光量子態進行探測。
圖6：九章原理圖
研發單位
“九章”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研發。九章的四個並列第一作者是陸朝陽的博士學生鐘翰森、王輝、鄧宇皓和陳明城，都是“90後”。研發人員規模只有谷歌團隊的5%。
圖7：九章研發隊伍和經費和谷歌的對比
研發經費
量子計算原型機“九章”的研發經費約為3000萬人民幣。相比之下，谷歌研發“懸鈴木”經費體量是10億美元。
名稱來源
量子計算原型機“九章”命名為“九章”是為了紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》。
圖8：九章取名的來源
重要意義
這一成果牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位。基於“九章”的“高斯玻色取樣”算法，未來將在圖論、機器學習、量子化學等領域具有重要的潛在套用價值。
學術影響力
《科學》期刊的“九章”學術論文發表後谷歌學術年平均被引數大於700次，為國際量子信息領域引用率最高的少數幾篇論文之一。
所獲榮譽
2021年4月，入選聯合國教科文組織Netexplo論壇在全球範圍內遴選出的10項極具突破性的數字創新技術。入選兩院院士評選的“2020中國十大科技進展”。共青團中央、全國青聯授予九章光量子計算原型機研製團隊“中國青年五四獎章集體”表彰。
圖9：九章光量子計算原型機研製團隊獲得“中國青年五四獎章集體
2020年，“光學量子計算”入選中科院“率先行動”計畫第一階段重大科技成果
2020年，“九章”入選《科技日報》中國年度十大科技新聞
2020年，“九章”入選新華社評選的中國年度十大國內新聞
2020年，“九章”入選兩院院士評選的中國科技十大進展新聞
2020年，陸朝陽教授獲得美國光學學會Adolph Lomb獎章（每年世界範圍一人，中國科學家在該獎項設立80後首次入選）
2021年，“九章”入選聯合國教科文組織Netexplo全球十大數字創新
2021年，“九章”獲騰訊青少年科學小會和Science評選的年度科學突破榜首
2021年，陸朝陽教授關於九章的大會報告入選CLEO會議高登講席James P. Gordon Memorial Speakership（每年世界範圍一人，中國科學家首次入選）
2021年，“九章”入選美國光學學會“Optics in 2021”
2021年，“九章”獲德國Falling Wall Top Ten Breakthroughs of the Year
2021年，陸朝陽教授獲得美國物理學會Rolf Landauer and Charles Bennett量子計算獎（每年世界範圍一人，中國科學家首次入選）
2021年，“九章”光量子計算原型機研製團隊獲得“中國青年五四獎章集體”
2022年，陸朝陽教授獲得全球華人物理與天文學會亞洲成就獎
2023年，陸朝陽教授入選首屆新基石研究員、何梁何利基金會科學與技術創新獎
圖10：設立80後，中國科學家首次獲得國際光學領域的最高獎
專家評價
奧地利科學院院長、諾貝爾獎得主Anton Zeilinger：“這項工作確實非常重要。全世界正在研發量子計算，致力於展示超越常規計算機的能力。這稱為‘量子計算優越性’。這項工作成果很重要，因為中國科學家證明，基於光子（光的粒子）的量子計算機也可能實現‘量子計算優越性’。實際上，這種高斯玻色子採樣已經有一些用處。我預測很有可能有朝一日量子計算機會被廣泛使用。甚至每個人都可以使用。我對這個估計非常樂觀，有很多聰明人在做這些事情，包括我的中國的同事。因此，我確定我們會看到相當快的發展。”
德國馬普所所長、沃爾夫獎得主Ignacio Cirac：“總體來說，這是量子科技領域的一個重大突破，朝著研製相比經典計算機具有量子優勢的量子設備邁出了一大步。”
麻省理工學院教授、美國青年科學家總統獎得主、斯隆獎得主Dirk Englund：“這是一個劃時代的成果。我認為這是一個了不起的成就。 這是開發這些中型量子計算機的里程碑。 它表明，在複雜系統的前沿領域中，我們正處於非常特殊的時刻，複雜系統具有我們今天無法在計算機上預測的複雜性。 因此，這是一項了不起的成就，我認為這是該領域的一個里程碑。”
美國科學院院士、沃爾夫獎得主Peter Zoller：“利用量子器件來解決日益複雜的問題並體現量子優勢是量子科學前沿中的最重要問題之一。陸朝陽、潘建偉和同事們基於光子進行的高斯玻色子採樣實驗，無論是在量子系統的大小和擴展性方面，還是在實際套用的前景方面，都把研究水平提升到了一個新的高度。”
美國耶魯大學教授、美國藝術和科學院院士、巴克萊獎得主Steven Girvin：“這是一個極其困難的，需要付出很大的努力來完善的工作。對此我印象非常深刻，我認為這是我們控制量子系統能力的重要技術進步。”
美國智庫蘭德公司發布《中美量子技術產業評估》，指出“九章”使得“中國在光子玻色取樣領域是明顯的世界領導者”。次年，所在單位被美國商務部列入實體清單。
圖11：蘭德公司的《中美量子技術產業評估》
