新华网:《九章》获得中国在国际量子计算研究第一方阵的位置
光量子干涉物理图：左下部分为输入光学部分，右下部分为锁相光路，上部分输出100个光模，通过低损耗单模光纤与100个超导单光子探测器相连。摄影/马梁玉溪(照片由中国科学技术大学提供)
“九章”量子计算原型光路系统示意图：左上激光系统产生高峰值功率的飞秒脉冲；左边25个光源通过参量下变频过程产生50个单模压缩态，输入右边100模光量子干涉网络；最后，用100个高效超导单光子探测器探测干涉仪输出的光量子态。制图/陆朝扬彭李超(图片由中国科学技术大学提供)
在竞争激烈的量子科学技术前沿，中国科学家树立了一个举世瞩目的里程碑。
12月4日，中国科学技术大学宣布，由潘建伟、卢朝阳组成的研究团队与中国科学院上海微系统研究所、国家并行计算机工程与技术中心合作，用76个光子搭建了量子计算原型“九章”，解决了“高斯玻色采样”的数学算法，仅用200秒就处理了5000万个样本。目前，世界上最快的超级计算机需要6亿年。相关论文于12月4日在国际学术期刊《科学》网上发表。《科学》杂志的审稿人评论说，这是“最先进的实验”，“很大的成就”。
潘建伟表示，这一成就坚定了中国作为国际量子计算研究第一方阵的地位。基于《九章》的“高斯玻色采样”算法将在未来的图论、机器学习、量子化学等领域具有重要的潜在应用价值。
“九章”在一分钟时间里完成了经典超级计算机一亿年才能完成的任务
据潘建伟团队介绍，量子计算机被命名为“九章”，以纪念中国古代数学专著《九章算术》。
《九章算术》是我国古代张苍、耿寿昌的数学专著。它的出现标志着中国古代数学形成了一个完整的体系，是一部具有里程碑意义的历史著作。这部名为《九章》的新机器也是一个里程碑。
量子计算机具有超快速并行计算能力，通过特定的算法在一些重要问题上实现指数级加速。《九章》解决的“高斯玻色采样”问题就是其中之一。
高斯玻色采样是一种计算概率分布的算法，可用于编码和解决各种问题。其计算难度呈指数级增长，很容易超过目前超级计算机的计算能力，适合量子计算机探索和求解。
在本研究中，潘建伟团队构建的76光子量子计算原型“九章”实现了“高斯玻色采样”任务的快速求解。
《九章》到底有多厉害？室温运行(光子探测除外，需要4K低温)，计算“高斯玻色采样”问题。《九章》处理5000万个样本只需要200秒，超级计算机需要6亿年；处理100亿个样本只需要10个小时，超级计算机需要1200亿年，宇宙诞生至今也只有137亿年左右。
“九章”在一分钟内完成了经典超级计算机在一亿年内可以完成的任务。”中国科技大学教授、该项研究的通讯作者之一陆朝阳说。
为了验证《九章》是否“准确”，潘建伟团队使用超算进行同步验证。“当有10或20个光子时，结果可以匹配。当是40个光子时，超算就更难了，《九章》已经算到了76个光子。”卢朝阳告诉记者。
获得总统奖和斯隆奖的年轻科学家、麻省理工学院副教授德克恩格隆德(Dirk englund)评论说，潘建伟团队的研究是“划时代的成就”，是“中型量子计算机发展的里程碑”。维也纳大学教授、美国物理学会成员菲利普沃尔泽(Philip walzer)也表示：“他们在实验中获得了最强经典计算机在数万亿年内所能给出的计算结果，为量子计算机的超强能力提供了有力的证明。”
“九章”处理“高斯玻色取样”的速度，等效比较下较谷歌开发的超导比特量子计算原型机“悬铃木”快100亿倍
目前，量子计算机作为世界科学技术的前沿，已经成为欧美发达国家竞争的焦点。
2019年10月，由美国物理学家约翰马丁尼斯(john martin Nice)领导的谷歌团队宣布，他们已经开发出一款名为sycamore的53位计算机。悬铃木只用了200秒就完成了100万随机线采样任务，而世界上最快的超级计算机“Peak”只用了2天。美国科学家在世界上第一次认识到“量子计算的优越性”。
所谓“量子计算的优越性”，又称“量子霸权”，是指作为一个新生事物，一旦量子计算机的计算能力在某个问题上超过了最强的传统计算机，就证明了量子计算机的优越性，使其在未来的许多方面跨越了超越传统计算机的门槛。
事实上，在谷歌宣布“悬铃木”的同时，潘建伟的团队已经实现了20个光子输入的60模干涉线的“玻色采样”，输出复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特状态空间，接近“量子计算优势”。
最近，团队通过在量子光源、量子干涉、单光子探测器等领域的自主创新，成功构建了76个光子、100个模式的“高斯玻色采样”量子计算原型“九章”。“九章”具有高效率、高各向同性、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源，满足相位稳定、全连通随机矩阵、波包符合率优于99.5%、通过率优于98%、相位锁定精度在相对光路10的负9次幂以内、高效100通道超导纳米线单光子探测器的100模干涉线要求。
实验表明，《九章》中经典数学算法“高斯玻色采样”的计算速度比世界上最快的超级计算机“富越”快100万亿倍，从而实现了世界上的“量子计算优势”。
陆朝扬说，相比《悬铃木》，《九章》有三个优点：第一，更快。虽然计算不是同一个数学问题，但相比最快的超级计算等价物，《九章》比《悬铃木》快100亿倍。第二，环境适应性。因为超导系统，“悬铃木”整个过程必须在-273.12摄氏度(30mK)的超低温环境下运行，而“九章”除了-269.12摄氏度的环境外，其他部分都可以在室温下运行。三是弥补了技术漏洞。《悬铃木》只在小样本情况下比超算快，《九章》无论在小样本还是大样本情况下都比超算快。“比如谷歌的机器冲刺可以跑赢超算，长跑不赢；我们的机器短跑和长跑都能赢。”
“这项工作真的很重要。”奥地利科学院院长、沃尔夫奖获得者、美国科学院院士安东塞林格(Anton Salinger)说：“全世界都在发展量子计算，并致力于展示超越常规计算机的能力。潘建伟和他的同事已经证明，基于光子(光的粒子)的量子计算机也可能实现‘量子计算优势’。”剑桥大学教授、英国物理学会托马斯杨奖章获得者米特塔尔图指出：“对于蓬勃发展的量子计算领域来说，这真是一个令人惊叹的时刻。卢教授和潘教授的这一成就将光子和基于光子的量子技术置于世界舞台的中心
未来的竞争是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争
《九章》量子计算原型的诞生是否意味着中国获得了“量子霸权”？人类会很快进入量子计算时代吗？我们能用它做什么？
对于量子计算机的研究，国际上这一领域的同行认识到有三个指标发展阶段：第一阶段是发展50到100个量子比特的高精度专用量子计算机，解决超级计算机无法解决的高复杂度的具体问题。实现高效解决方案，实现计算科学中量子计算优势的里程碑；第二阶段是开发一个可以相干操纵数百个量子位的量子模拟器，用来解决一些超级计算机做不到的具有很大实用价值的问题；第三阶段是将可集成量子比特数大幅增加到百万，实现容错量子逻辑门，开发可编程通用量子计算原型。
潘建伟的团队透露，虽然《九章》的计算能力快得惊人，但它只是在量子计算的第一阶段树立了一个里程碑，未来的路还很长。
在人们对计算能力需求呈指数增长的时代，量子计算机已经成为世界领先军事战略家的战场。最近，美国公布了量子计算领域的最新计划，英国、欧盟、日本等国家已经做出了相应的计划。《九章》在中国的成功发展，不仅在“量子计算的优越性”上取得了里程碑式的进展，也为第二步——解决一些超级计算机做不到的具有重大实用价值的问题提供了潜在的前景。
目前，无论是Google的“悬铃木”处理“随机线采样”，还是“九章”求解“高斯玻色采样”，都只能用来解决一个具体问题。潘建伟解释说，这是因为目前可用于建造量子计算机的材料有限，只能“用食材烹饪”。未来量子计算机的突破更有可能依赖于量子计算硬件中新材料的创新。“这不是一次性的工作，而是更快的经典算法和不断改进的量子计算硬件之间的竞争。”潘建伟说。
潘建伟透露，他们将在“九章”量子计算原型的基础上，通过提高量子比特的操纵精度等一系列技术研究，力争尽快研制出可编程的通用量子计算原型。“我希望通过15到20年的努力，我们能够开发出一种通用的量子计算机来解决一些应用非常广泛的问题，比如密码分析、天气预报、药物设计等。也可以用来进一步探索物理、化学和生物学。领域中的一些复杂问题。”
“我们现在证明了，中国人在国内也可以做好‘科学’”
安徽合肥中国科学院量子信息与量子科技创新研究所，新开发的量子计算“九章”原型占据了实验室几乎一半的空间，包含了数千个组件。这是潘建伟团队经过20多年的研究开发出来的。
20多年前，量子力学的发源地潘建伟在因斯布鲁克大学第一次见到了他的导师塞林格。塞林格教授坐在椅子上，椅子后面是诺贝尔奖获得者使用的挂钟和奥地利物理学家玻尔兹曼使用的黑板。塞林格问潘建伟：“你未来的计划是什么？”潘建伟回答：“将来，在中国建立一个和这里一样好的实验室。”
2001年，潘建伟作为中国科学院引进国外优秀人才，得到中国科学院基础科学局和人民教育局的资助。他回国在中国科技大学建立了量子物理和量子信息实验室。实验室由一群年轻的老师和学生领导。虽然是白手起家，但在成立之初得到了相关科技主管部门和中国科学技术大学的大力支持。
中国科学技术大学的量子物理和量子信息实验室经常灯火通明。潘建伟和他的朋友一天工作15个小时以上，通宵工作很常见。科研成果不断涌现：2012年首次实现了100公里的双向量子纠缠分布和量子隐形传态；2016年8月，他领导研制并成功发射了世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子”；2017年5月，世界上第一台超越早期经典计算机的光学量子计算机建成.
回顾近年来梦想量子世界的点点滴滴，潘建伟表达了自己的深切感受，从回国建实验室时的400万元启动资金，到近年来国内几十家科研单位资助的量子卫星墨子，到全长2000多公里的量子通信“京沪干线”工程，再到量子计算原型“九章”的研制，都离不开国家的大力支持。
“团队的不断支持和成就，不仅凸显了中国综合国力和科技创新能力的不断提高，也充分体现了中国在支持战略前沿基础科学研究方面的敏锐判断力和决策力。”潘建伟说。
潘建伟回忆说，很多年前，他首先提出了利用卫星实现自由空间量子通信的想法。但是，这种“前所未有，闻所未闻”的想法受到了质疑：量子信息科学在欧美刚刚起步，为什么现在还要去做？
幸运的是，这个计划最终得到了中科院的支持。在中国科学院空间科学试验项目正式建立的“量子科学实验卫星”的帮助下，潘建伟的团队能够打开量子世界的另一扇门。
“如果杨振宁和李政道证明中国人可以在国外做好‘科学’。那么我们现在已经证明，中国人也可以在中国做‘科学’。”潘建伟说。
走进潘建伟团队的量子实验室，在入口的前墙上，有一段中国科学院院士、著名核物理学家赵忠尧《我的回忆》的话：“回顾我的一生，我经历了很多坎坷，我唯一的希望就是祖国富强、科学。我们已经尽了最大的努力，但是国家还没有摆脱贫穷落后，我们还需要再接再厉，继续为今天和后代无私的年轻人而努力。”
为了实现新的划时代的“计算能力革命”，潘建伟和他的团队仍在夜以继日地不懈探索。(记者韩亚东)