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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建了255個光子的量子計算原型機“九章三號”，再度刷新了光量子信息的技術(shù)水平和量子計算優(yōu)越性的世界紀錄。

科研人員設(shè)計時空解復(fù)用的光子探測新方法，構(gòu)建高保真度的準光子數(shù)可分辨探測器，提升了光子操縱水平和量子計算復(fù)雜度。根據(jù)公開正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典精確采樣算法，“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(nèi)所處理的最高復(fù)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我國在光量子計算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。

△實驗裝置示意圖

量子計算是后摩爾時代的一種新的計算范式，它在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定量子算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面相比經(jīng)典計算機實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。因而，研制量子計算機是當前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。

為此，國際學(xué)術(shù)界制定了三步走的發(fā)展路線。其中，第一步是實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”，即通過對近百個量子比特的高精度量子調(diào)控，對特定問題的求解展現(xiàn)超級計算機無法比擬的算力。同時，在此過程中，發(fā)展出可擴展的量子調(diào)控技術(shù)，為具備容錯能力的通用量子計算機的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2020年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團隊成功構(gòu)建76光子的“九章”光量子計算原型機，首次在國際上實現(xiàn)光學(xué)體系的“量子計算優(yōu)越性”，并克服了谷歌實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。2021年，中國科大團隊進一步成功研制了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，使我國成為唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩種技術(shù)路線都達到了“量子計算優(yōu)越性”的國家。

△光量子計算的國際競爭態(tài)勢

通過一系列創(chuàng)新，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團隊首次實現(xiàn)了對255個光子的操縱能力，極大地提升了光量子計算的復(fù)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。在構(gòu)建“九章”系列光量子計算原型機的基礎(chǔ)上，研究團隊還揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系，完成對稠密子圖等兩類具有實用價值的圖論問題的求解，相比經(jīng)典計算機精確模擬的速度快1.8億倍。此外，又在國際上首次演示了無條件的多光子量子精密測量優(yōu)勢。