近日，中國科學技術大學中國科學院量子信息與量子科技創新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊與中國科學院上海微系統與信息技術研究所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，成功構建了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水平和量子計算優越性的世界紀錄。
科研人員設計時空解復用的光子探測新方法，構建高保真度的準光子數可分辨探測器，提升了光子操縱水平和量子計算復雜度。根據公開正式發表的最優經典精確采樣算法，“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所處理的最高復雜度的樣本，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域的國際領先地位。
△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濟價值的問題方面相比經典計算機實現指數級別的加速。因而，研制量子計算機是當前世界科技前沿的最大挑戰之一。
為此，國際學術界制定了三步走的發展路線。其中，第一步是實現“量子計算優越性”，即通過對近百個量子比特的高精度量子調控，對特定問題的求解展現超級計算機無法比擬的算力。同時，在此過程中，發展出可擴展的量子調控技術，為具備容錯能力的通用量子計算機的研制提供技術基礎。
2020年，中國科學技術大學團隊成功構建76光子的“九章”光量子計算原型機，首次在國際上實現光學體系的“量子計算優越性”，并克服了谷歌實驗中量子優越性依賴于樣本數量的漏洞。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和超導兩種技術路線都達到了“量子計算優越性”的國家。
△光量子計算的國際競爭態勢
通過一系列創新，中國科學技術大學團隊首次實現了對255個光子的操縱能力，極大地提升了光量子計算的復雜度，處理高斯玻色取樣的速度比“九章二號”提升了一百萬倍。在構建“九章”系列光量子計算原型機的基礎上，研究團隊還揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數學聯系，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勢。
