陆朝阳：“九章三号” 实现了255个光子的操纵，刷新量子优越性世界纪录

科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第38期，对话中国科学技术大学物理学讲席教授、“九章三号”课题负责人陆朝阳。

嘉宾简介：

陆朝阳，中国科学技术大学物理学讲席教授、“九章三号”课题负责人，主要从事量子计算及其物理基础的研究，是首位获得美国光学学会“阿道夫隆奖章”（每年奖励世界范围一人，下同）、美国物理学会“兰道尔本内特量子计算奖”、国际应用和纯物理协会光学领域青年科学家奖的中国科学家，在量子光源、量子隐形传态和光学量子计算方面做出了杰出贡献。

划重点：

1.量子计算机在特定任务上具备并行处理能力，可以更高效地完成复杂计算任务。

2.光子、原子等各物理体系各有优势和劣势，量子计算总体上还处于马拉松的前一公里，最终哪种体系会胜出，或者多种体系会各自发挥特定作用，尚不明确。

3.目前已实现“量子计算优越性”里程碑，正在向第二发展阶段过渡，即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。

4.量子计算最有希望的近期应用是研究和量子系统本身相关的问题，包括多体问题、量子化学和量子材料。

出品｜科技

作者｜郑松毅

始于20世纪20年代的爱因斯坦与波尔的争论是物理学史上伟大的科学论战之一，双方争辩的中心是量子力学的底层逻辑。

以波尔为代表的哥本哈根学派认为测量引起的量子状态塌缩是本质上随机的，爱因斯坦认为“上帝不掷骰子”，量子力学还无法描述物理现实的全部内容。这个争论一直持续到爱因斯坦去世，虽然两人谁也没有说服对方，但引发了众多科学家对于量子力学基本原理的深入研究，特别是在实验上去捕捉和操纵单个光子和单个原子。

到20世纪80年代，以费曼为代表的理论物理学家开始意识到利用量子力学的特性来设计一种全新的计算机——量子计算机。到90年代，科学家们开始着手设计切实的量子算法，利用量子叠加态和纠缠态等特性实现比经典计算机指数加速的计算任务，例如，大数分解。

近日，在竞争激烈的量子科技前沿，中国科学家在研制量子计算机之路上又迈出关键一步。中国科学技术大学教授陆朝阳和同事成功构建255个光子的量子计算原型机“九章三号”，刷新了光量子信息的技术水平和量子计算优越性的世界纪录。

围绕“九章三号”技术突破，量子计算现发展阶段以及扩展性应用价值等方面，科技与中国科学技术大学物理学讲席教授、“九章三号”课题组长陆朝阳展开了深度对话。

很多网友疑惑“光量子计算机”是怎样一种量子计算机，构建了255个光子又意味着什么？

陆朝阳介绍，量子计算的基本单元是量子比特，也就是一个可以处于0，可以处于1，还可以处于0和1的任意量子叠加态的物理系统，而光子是这个物理系统实现方式之一。光子数量越多，意味着量子计算机在执行计算任务时可以更加高效。

2020年，拥有76光子的“九章”光量子计算初代原型机问世。2021年，“九章二号”光子数提升到了133个。直至现在，255个光子的“九章三号”量子计算原型机算力比“九章二号”提升了100万倍，求解特定问题比超算快一亿亿倍。

“高斯玻色取样”的经典计算任务的难度在于其计算量会随矩阵规模的增大呈指数级上升。陆朝阳表示，经典计算机需要计算255*255规模矩阵的高计算复杂度的数学函数，需要花费大量的时间。而量子计算机由于在这个问题上具备并行处理能力，可以高效地完成计算任务。

根据公开发表的最优算法，“九章三号”1微秒可算出的最复杂样本，当前全球最快的超级计算机“前沿”（Frontier）约需200亿年。

目前国际学术界正在纷纷探索实现量子计算的各种物理体系，包括光子、超导量子线路（一种人造原子）、离子等，引发众人猜测究竟哪种体系能率先胜出？

陆朝阳认为，“各个体系各有优势和劣势，量子计算总体上还处于马拉松的前一公里，最终哪种体系会胜出，或者多种体系会各自发挥特定作用，尚不明确。”

谈及量子计算现发展阶段及落地应用价值，他表示，目前已实现“量子计算优越性”里程碑，正在向第二发展阶段过渡，即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、新材料设计等。

“量子计算最有希望的近期应用是研究和量子系统本身相关的问题，包括多体问题、量子化学和量子材料。”

以下为对话实录（经整理编辑）

科技：“光量子计算机”是量子计算机的一种吗？“光子”在光量子计算机中充当什么角色，有什么作用？

陆朝阳：量子计算的基本单元是量子比特，也就是一个可以处于0，可以处于1，还可以处于0和1的任意量子叠加态的物理系统。这个物理系统可以用光子、原子、或者人造原子来做。例如，我们可以用原子的两个能量不同的能级状态分别表示0和1。

如果是光子，我们可以用它的偏振方向（偏振指的是光作为电磁场的电场震动方向）来编码。例如，水平偏振为0，垂直偏振为1，那么45度的线偏振就是0+1，135度的线偏振就是0-1，左旋和右旋光就是0+i1和0-i1，这些都是处于0和1的不同相位的量子叠加态的例子。

科技：“光量子计算机”在量子计算机领域中算实现效果比较好，技术比较领先的吗？

陆朝阳：目前国际学术界在探索各种物理体系，包括超导量子线路（一种人造原子）、光子、离子、中性原子、量子点，等等。各个体系各有优势和劣势。量子计算总体上还处于马拉松的前一公里，最终哪种体系会胜出，或者多种体系会各自发挥特定作用，尚不明确。

科技：本次“九章三号”光量子计算原型机成功构建了255个光子，光子越多意味着什么，255个光子在世界上是什么水平？

陆朝阳：量子计算机的研制已经成为国际激烈竞争的焦点，其关键在于不断提升量子比特的数量和质量。我们通过发展时空解复用的准光子数可分辨探测方法，首次实现了255个光子的操纵，再次刷新了国际记录，进一步巩固了我国在光量子计算领域的国际领先地位。

科技：据悉，“九章三号”在百万分之一秒时间内所处理的最高复杂度的样本，需要当前最强的超级计算机“前沿”花费超过二百亿年的时间。能请您举例说明下这里提到的“最高复杂度样本”指的是什么吗，以及为什么光量子计算机具备复杂信息高效处理的能力？

陆朝阳：量子计算机由于在“高斯玻色取样”特定问题上的并行处理能力，可以高效地获得这个样本。如果用经典计算机，需要计算255*255规模矩阵的高计算复杂度的数学函数，计算难度会随着矩阵规模增加呈指数级上升，因此需要花费大量的时间。

科技：有专家评价，“现在还造不出通用的量子计算机，哪怕是专用量子计算机，都不敢说现在已经能做。”在您看来，目前制造量子计算机主要的瓶颈是什么？

陆朝阳：对于量子计算机的研究，本领域的国际同行公认有三个指标性的发展阶段：

(1)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“量子计算优越性”的里程碑。

(2)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。

(3)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。

目前正处于从第一阶段迈入第二阶段的过渡期，关键在于不断提升量子比特的数量和质量。第二步第三步的瓶颈在于“量子纠错”，即如何压制量子计算中发生的各种错误。

科技：在您看来，量子计算距离实现真正应用落地还需多久，应用场景会有哪些？

陆朝阳：时间上难以预测，量子计算最有前途的近期应用是研究量子物理系统本身，即多体问题、量子化学和量子材料。

科技：了解到您将参与2023CNCC大模型与科学计算论坛，演讲题目为“从爱因斯坦的好奇心到量子计算机”。量子计算的兴起和爱因斯坦有什么渊源吗？

陆朝阳：整个量子信息科学的领域的兴起，也称为“第二次量子革命”，可以最早追溯到1935年爱因斯坦和波尔的争论。

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