“九章”光量子计算原型机成功求解图论问题

近日，中国科学技术大学发布消息称，由潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队，基于“九章”光量子计算原型机完成了对“稠密子图”和“Max-Haf”两类图论问题的求解，比全球最快的超级计算机使用当前最优经典算法，精确模拟同一实验的速度快了约1.8亿倍。

据悉，研究团队通过实验和理论研究了“九章”处理这两类图论问题为搜索算法带来的加速，及该加速对于问题规模和实验噪声的依赖关系。该研究成果系首次在具有量子计算优越性的光量子计算原型机上开展的、面向具有应用价值问题的实验研究。相关论文近日以“编辑推荐”的形式发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上，并被Physics网站专题报道。

“九章”量子计算原型机与图论问题对应关系原理示意图（图片来源：中国科学技术大学）

量子计算的物理实现分三步走

记者了解到，量子计算机在原理上可通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面，获得比经典计算机更强的算力。当前，大规模量子计算机的物理实现是世界科技前沿的重大挑战之一。针对量子计算的物理实现，国际学术界采取三步走的路线图。第一阶段是实现量子计算的优越性，量子计算系统对某些特定问题的求解速度已经远远超过了经典超级计算机，展现出量子计算本身的优势。第二阶段是构建专用的量子模拟器，用来求解一些经典计算机难以胜任的特定复杂问题，比如高温超导机制等。第三阶段的目标是希望在量子纠缠的帮助下，实现通用的可编程量子计算。

“稠密子图”和“Max-Haf”是图论中两个经典的优化问题，难以在经典计算机上进行有效处理。而通过充分利用量子计算机并发计算的特点，这些问题可以得到更高效的解决方案。本次研究团队在“九章”光量子计算原型机上进行了相关实验，成功解决了这两个问题，为未来的量子计算技术应用奠定了基础。

“2020年我们实现了76个光子的量子计算原型机‘九章’，‘九章’在求解高斯玻色取样的特定问题上，速度是当时最快的经典超级计算机的100万亿倍。之后，我们不断对系统进行升级，近期已经完成了255个光子的‘九章3号’计算原型机，它针对特定问题的求解能力比经典的超级计算机快1000万亿倍。”中国科学院院士、中科院量子信息与量子科技创新研究院院长、中国科技大常务副校长潘建伟此前表示。

“九章”光量子计算原型机（图片来源：安徽省科技厅）

此外，他还透露，希望在未来的5年可以达到对数百个量子比特的相关操纵，构建专用的量子模拟器帮助人们理解一些复杂的物理系统规律，如高温超导的机理、量子霍尔效应等。通过10至15年的努力，希望能够操纵上百万个量子比特，并实现量子纠缠，初步构建可编程的通用量子计算机。

量子计算软件研究也不容忽视

近年来，中国在量子计算硬件方面已取得了一系列创新突破。同时，也有专家提醒，量子计算软件的研究也不容忽视。清华大学计算机科学与技术系智能技术与系统国家重点实验室教授应明生表示，量子计算可能是计算机科学在很长一段时间内最具革命性的事情。从未来产业来说，最终量子软件的市场甚至比硬件还要大。从学科建设来说，做量子计算只靠物理学家的努力是明显不够的，计算机科学家不参与是很难做好的。国内从计算机科学的角度研究量子计算基本是空白，人才培养极为重要。

值得一提的是，随着国内大模型浪潮愈演愈烈，有观点认为量子计算机或将成为实现强人工智能的必要条件。对此，应明生指出，量子计算与经典计算相比，优势在速度。而实现所谓的“强人工智能”，恐怕速度不是唯一的制约因素。量子计算机是否能够更好地训练神经网络目前还没有得到很好的理解。

“量子计算的挑战实在太多了。如何做出量子计算机硬件是极大的挑战，这是目前物理学家正在努力做的事情。一旦有了量子计算机，如何用好它将是对于计算机科学家的巨大挑战。”应明生表示。