全方位領先，中國量子計算打破全球多項紀錄，逼近“量子霸權”
中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉等人與德國、荷蘭的科學家合作，在國際上首次實現了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算，在四大關鍵指標上均大幅刷新國際紀錄，逼近實現量子計算研究的重要目標“量子霸權”。
與國際學界之前的研究成果相比，他們此次實驗成功操縱的單光子數增加了5倍，模式數增加了5倍，取樣速率提高了6萬倍，輸出態空間維數提高了百億倍。實驗首次將玻色取樣推進到一個全新的區域。
國際權威學術期刊《物理評論快報》日前以“編輯推薦”的形式發表了該成果。《物理評論快報》審稿人認爲，這項研究突破是“一個巨大的飛躍”，“是通往實現‘量子霸權’的‘彈簧跳板’”。
量子計算機是什麼？
量子計算是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。
衆多科學家認爲：量子計算是下一次工業革命的引擎，將引爆第四次工業革命！
量子計算機爲什麼會被世界各國寄予厚望，因爲量子計算機基於量子疊加態的原理可以擁有秒殺所有傳統計算機的計算能力。
量子力學的一箇中心原則就是粒子可以存在於疊加態中，能同時擁有兩個相反的特性，也就是我們說的波粒二象性。儘管我們在日常生活中常常面對“不是A就是B”的抉擇，而但在微觀世界中是可以接受“既是 A 又是 B”的。
而正是基於這樣的特性，讓量子計算機擁有了超強的計算能力。
傳統計算機每比特非0即1，而在量子計算機中，量子比特可以以處於即是0又是1的量子疊加態，這使得量子計算機具備傳統計算機無法想象的超級算力。
舉個例子，如果x=0，運行A；如果x=1，運行B。
傳統計算機永遠只會一次執行一種邏輯分支，要麼A，要麼B，要麼兩種情況各運行一次。
但在量子計算機中，變量X是量子疊加態，既爲1，又爲0，因此它可以在一次計算中同時執行A和B。這也被稱爲量子比特或者叫量子位。成爲了量子信息的計量單位。
做個總結，傳統計算機使用0和1，量子計算機也是使用0跟1，但與之不同的是，其0與1可同時計算。古典系統中，一個比特在同一時間，不是0，就是1，但量子比特是0和1的量子疊加。這是量子計算機計算的特性。
所以如果我們將量子比特的數量增加到10個，那麼傳統計算機需要計算2^10=1024次。量子計算機需要計算多少次呢？
還是1次。
我們再把量子比特數加到100個、1000個、10000個乃至更多，看出差距了嗎？現有計算機要運行上萬年的工作量，量子計算機只用幾分鐘就能搞定。
這也預示着當經典計算機還在通過增加中央處理器的密度和速度來實現計算能力的代數級增長時，量子計算機卻完成了指數級的革命。
玻色取樣量子計算有什麼意義
什麼是玻色取樣量子計算呢？
其中，量子計算研究的第一個階段性目標是實現“量子計算優越性”(亦譯爲“量子霸權”)，即研製出量子計算原型機在特定任務的求解方面超越經典的超級計算機。利用超導量子比特實現隨機線路取樣和利用光子實現玻色取樣是目前國際學術界公認的演示量子計算優越性的兩大途徑。
其中這兩樣中國都是全世界領先，那什麼是玻色取樣呢？
在量子計算的版圖上，光子、電子、離子等微觀粒子都被科學家用來嘗試實現可能的計算方案。
而線性光學量子計算是量子計算的方案之一。所謂線性光學量子計算，就是以光子作爲載體，經過一個線性系統完成操作，輸出計算結果。實現大規模比特的通用量子計算機目前看來還具有很苛刻的門檻，於是，科學家希望能夠首先讓量子計算在特定任務上表現出比經典計算機更卓越的能力，許多科學家將目光瞄準了玻色取樣上。
“玻色取樣”是指，在n個全同玻色子經過一個干涉儀後，對n個玻色子的整個輸出態空間進行採樣的問題。採樣過程和分佈概率息息相關。
科學家經過研究發現，n光子“玻色取樣”的分佈概率正比於n維矩陣積和式（Permanent）的模方，從計算複雜度的角度來看，積和式的求解難度是“#P-hard”，當前經典最優算法需要O(n2n)步，隨着光子數的增加求解步數呈指數上漲。對於這樣一個經典計算#P-complete困難的問題，在中小規模下就可以打敗超級計算機。
所以玻色取樣就成爲了實現量子計算的兩大途徑之一，對於玻色取樣任務來說，驗證其是否從正確的分佈中採樣是至關重要的。目前而言，完全驗證還難以做到，因爲對於具有量子優勢的實驗來說，經典模擬的計算量將是指數級增長的，無法對大規模的實驗進行驗證。
玻色取樣問題
2017年，潘建偉、陸朝陽研究組運用微腔精確耦合的單量子點器件，產生了國際最高效率的全同單光子源，初步應用於構建超越早期經典計算能力的針對玻色取樣問題的光量子計算原型機，其取樣速率比國際上當時的實驗提高24000多倍。
2019年，潘建偉、陸朝陽研究組提出相干雙色激發[Nature Physics15,941(2019)]和橢圓微腔耦合[Nature Photonics13,770(2019)]理論方案，在實驗上同時解決了單光子源所存在的混合偏振和激光背景散射這兩個最後的難題，並在窄帶和寬帶微腔上成功研製出了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源。
之前，國際上對完美單光子器件的探尋持續了二十年，然而這三項指標從未同時實現過，這項開創性的研究是實現完美單光子源的里程碑式成就
中國科大研究組從而利用自主發展的國際最高效率和最高品質單光子源、最大規模和最高透過率的多通道光學干涉儀，並通過與中科院上海微系統與信息技術研究所尤立星在超導納米線高效率單光子探測器方面的合作，成功實現了20光子輸入60×60模式(60個輸入口，60層的線路深度，包括396個分束器和108個反射鏡)干涉線路的玻色取樣實驗。
實驗成功操縱的單光子數增加了5倍，模式數增加了5倍，取樣速率提高了6萬倍，輸出態空間維數提高了百億倍。其中，由於多光子高模式特性，輸出態空間達到了三百七十萬億維數，這等效於48個量子比特展開的希爾伯特空間。因此，實驗首次將玻色取樣推進到一個全新的區域：無法通過經典計算機直接全面驗證該玻色色取樣量子計算原型機，朝着演示量子計算優越性的科學目標邁出了關鍵的一步。
美國物理學會Physics網站對該工作的總結指出：“這意味着量子計算領域的一個里程碑：接近經典計算機不能模擬量子系統的地步”
而除了玻色取樣之外，利用超導量子比特實現隨機線路取樣中國也是世界第一。
2019年4月，中國科大潘建偉團隊實現了國際上最大規模超導量子比特糾纏態12比特“簇態”的製備。
而要實現多個量子比特的糾纏，需要實驗的每個環節（量子態的品質、操控和測量）都保持極高的技術水平，並且隨着量子比特數目的增加，噪聲和串擾等因素帶來的錯誤也隨之增加，這對多量子體系的設計、加工和調控帶來了巨大的挑戰。
潘建偉教授及其同事朱曉波、陸朝陽、彭承志等通過設計和加工了高品質的12比特一維鏈超導比特芯片，並且採用並行邏輯門操作方式避免比特間的串擾，以及熱循環操作去除不需要的二能級系統對於比特性能的影響，首次製備並驗證了12個超導比特的真糾纏，保真度達到70%，打破了2017年由中國科大、浙江大學、物理所聯合研究組創造的10個超導量子比特糾纏的記錄。這也是目前固態量子系統中規模最大的多體糾纏態，可爲下一步實現大規模隨機線路採樣和可擴展單向量子計算奠定基礎。
這標誌着中國在量子計算上實現了全面領先，這也標誌着中國將有可能實現量子霸權，到時候中國將穩居第四次工業革命的第一梯隊。
人類在過去發生了三次工業革命，第一次是蒸汽時代，第二次是電氣時代，第三次是信息時代。除了第三次中國參與了進去之外，前兩次中國都錯過了。
而第四次工業革命中國將不再是參與者的身份，將有可能是領導者或者主導者的身份。