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世界首台光量子計算機在中國誕生

2021/12/25

5月3日，科學院在上海召開新聞發布會，宣布世界首台超越早期經典計算機的光量子計算機在誕生。

中科院院士、科學技術大學教授潘建偉及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯合浙江大學教授王浩華研究組，近期在基於光子和超導體系的量子計算機研究方面取得了系列突破性進展。在光學體系方面，研究團隊在2016年首次實現十光子糾纏操縱的基礎上，利用高品質量子點單光子源構建了世界首台超越早期經典計算機的單光子量子計算機。在超導體系方面，研究團隊打破了之前由谷歌、美國國家航空航天局（NASA）和加州大學聖塔芭芭拉分校（UCSB）公開報道的九個超導量子比特的操縱，實現了目前世界上最大數目的十個超導量子比特的糾纏，並在超導量子處理器上實現了快速求解線性方程組的量子演算法。相關係列成果發表於國際學術期刊《自然-光子學》和《物理評論快報》上。

量子計算利用量子相干疊加原理，在原理上具有超快的并行計算和模擬能力，計算能力隨可操縱的粒子數呈指數增長，可為經典計算機無法解決的大規模計算難題提供有效解決方案。一台操縱50個微觀粒子的量子計算機，對特定問題的處理能力可超過超級計算機。量子計算技術主要通過發展高精度、高效率的量子態製備與相互作用控制技術，實現規模化量子比特的相干操縱。由於其巨大的潛在價值，歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源，開展協同攻關，同時，谷歌、微軟、IBM等大型高科技公司也強勢介入量子計算研究。

多粒子糾纏的操縱作為量子計算的技術制高點，一直是國際角逐的焦點。在光子體系方面，潘建偉團隊在多光子糾纏領域始終保持著國際領先水平，並於2016年底把紀錄刷新至十光子糾纏。在此基礎上，團隊利用自主發展的綜合性能國際最優的量子點單光子源，通過電控可編程的光量子線路，構建了針對多光子「玻色取樣」任務的光量子計算原型機。實驗測試表明，該原型機的「玻色取樣」不僅比之前國際同行所有類似實驗提速至少24000倍，同時，通過和經典演算法比較，也比人類歷史上第一台電子管計算機（ENIAC）和第一台晶體管計算機（TRADIC）運行速度快10-100倍。 5月2日，該研究成果以長文的形式在線發表於《自然-光子學》。這是歷史上第一台超越早期經典計算機的基於單光子的量子模擬機，為最終實現超越經典計算能力的量子計算這一被國際學術界稱為「量子稱霸」的目標，奠定了堅實的基礎。朝著這一目標，潘建偉團隊計劃在今年年底實現大約20個光量子比特的操縱。

在超導體系方面，2015年，谷歌、NASA和UCSB宣布實現了9個超導量子比特的高精度操縱，這一記錄在2017年被科學家團隊首次打破。朱曉波、王浩華和陸朝陽、潘建偉等合作，自主研發了10比特超導量子線路樣品，通過高精度脈衝控制和全局糾纏操作，成功實現了目前世界上最大數目的超導量子比特的多體純糾纏，並通過層析測量方法完整地刻畫了十比特量子態。研究團隊進一步利用超導量子線路演示了求解線性方程組的量子演算法，證明了通過量子計算的并行性加速求解線性方程組的可行性，相關成果即將發表於《物理評論快報》。研究團隊目前正致力於20個超導量子比特樣品的設計、製備和測試，並計劃於今年年底前發布量子云計算平台。

上述工作由科大、浙江大學、中科院物理研究所等協同完成，受到中科院-阿里巴巴量子計算實驗室、國家自然科學基金委、科技部和教育部2011計劃等資助。