量子计算机基本工作原理（量子计算原型机）

近日，中国科学技术大学潘建伟研究团队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合作，成功构建了 76 个光子 100 个模式的高斯玻色取样量子计算原型机「九章」，其处理特定问题的速度比目前最快的超级计算机「富岳」快了一百万亿倍，同时也等效地比谷歌去年发布的 53 比特量子计算原型机「Sycamore」快一百亿倍。

量子优越性是指量子计算拥有的超越所有经典计算机的计算能力，即可以解决经典计算机不能解决的问题或比经典计算机有显著的加速（一般是指数加速）。

为什么量子计算机如此之快？中国科学技术大学教授陆朝阳介绍说，传统计算机将所有数据存储为 1 或 0，但量子计算机是利用量子力学的原理，可以允许一个物体同时处于多种状态，比如说 0 和 1 同时存在，原理上叫做「并行计算」，很多任务可以一起完成。正是因为具有超快的并行计算能力，量子计算可望通过特定算法实现指数级别的加速。

中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟介绍说，量子优越性的实现是量子计算研究的第一个里程碑性目标。为了实现这一目标，他们在高斯波色采样实验当中构建了一个量子计算的原型机，比目前最快的超算快 10 的 14 次方倍。

一直以来，高校和企业实验室都在量子优越性方面保持竞争。去年，谷歌推出 54 个量子比特的计算机「Sycamore」，宣布实现量子优越性。在世界第一超算需要计算 1 万年的实验中，量子计算机只用了 3 分 20 秒。

中科大的潘建伟、陆朝阳研究团队将 50 个全同单模压缩态输入 100 模式超低损耗干涉线路，利用 100 个高效单光子探测器进行高斯玻色采样，输出态空间维度达到了 10 的 30 次方，采样速率比当前最先进的超级计算机要快上 10 的 14 次方 (百万亿) 倍。

实验结果显示，当求解 5000 万个样本的高斯玻色取样时，「九章」需 200 秒，而目前世界最快的超级计算机「富岳」需 6 亿年。等效来看，「九章」的计算速度比「Sycamore」快 100 亿倍，并弥补了「Sycamore」依赖样本数量的技术漏洞。

据了解，研究团队的这次突破前后历经 20 年时间，主要攻克高品质光子源、高精度锁相、规模化干涉三大技术难题。

对于量子计算机研究，公认有三个指标性的发展阶段：

一、发展具备50-100个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。

二、通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题（如量子化学、新材料设计、优化算法等）。

三、通过积累在专用量子计算与模拟机的研制过程中发展起来的各种技术，提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值（>99.9%），大幅度提高可集成的量子比特数目（百万量级），实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。

无论中国科大的“九章”还是Google的“悬铃木”，都是针对特定问题的专用量子计算原型机，现在不过都实现了第一步。