“九章”是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)銜的陸朝陽(yáng)教授課題組與中科院中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作自主研發(fā)，成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)。2021年，“九章”入選聯(lián)合國(guó)教科文組織Netexplo論壇在全球范圍內(nèi)遴選出的10項(xiàng)極具突破性的數(shù)字創(chuàng)新技術(shù)，同年入選兩院院士評(píng)選的“2020中國(guó)十大科技進(jìn)展”。
在2017年，在“九章”項(xiàng)目中，潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算原型機(jī)。2019年，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了20個(gè)光子輸入60個(gè)模式干涉線路的薩特延德拉·玻色抽樣，輸出復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特的戴維·希爾伯特態(tài)空間，逼近“量子計(jì)算優(yōu)越性”。2020年，“九章”求解了最高達(dá)76光子的高斯玻色子采樣問(wèn)題，求解速度超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)基于光學(xué)體系的量子計(jì)算優(yōu)越性，使得中國(guó)成為全球第二個(gè)（第一個(gè)為2019年美國(guó)字母控股研發(fā)的“懸鈴木屬”超導(dǎo)量子計(jì)算處理器）實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”（國(guó)外稱“量子霸權(quán)”）的國(guó)家。
2021年10月，該團(tuán)隊(duì)發(fā)展了量子光源受激放大的理論和實(shí)驗(yàn)方法，“九章”的升級(jí)版“九章二號(hào)”成功構(gòu)建，構(gòu)建了113個(gè)光子144模式的量子計(jì)算原型機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了相位可編程功能，完成了對(duì)用于演示“量子計(jì)算優(yōu)越性”的高斯薩特延德拉·玻色抽樣任務(wù)的快速求解，再次刷新國(guó)際光量子操縱的技術(shù)水平，其處理特定問(wèn)題比目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快億億億倍。2023年10月11日，又成功構(gòu)建了255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”，再度刷新了光量子信息的技術(shù)水平和量子計(jì)算優(yōu)越性的世界紀(jì)錄。科研人員設(shè)計(jì)了時(shí)空解復(fù)用的光子探測(cè)新方法，構(gòu)建了高保真度的準(zhǔn)光子數(shù)可分辨探測(cè)器，提升了光子操縱水平和量子計(jì)算復(fù)雜度。
基本簡(jiǎn)介
九章實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色抽樣”任務(wù)的快速求解。當(dāng)前，研制量子計(jì)算機(jī)已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一，成為歐美各發(fā)達(dá)國(guó)家角逐的焦點(diǎn)。
主要功能
根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”對(duì)于處理gaussian薩特延德拉·玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬(wàn)億倍，等效地比谷歌去年發(fā)布的53比特量子計(jì)算原型機(jī)“三球懸鈴木”快一百億倍。同時(shí)，通過(guò)高斯玻色取樣證明的量子計(jì)算優(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量，克服了谷歌53比特隨機(jī)線路取樣實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。“九章”輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)到了1030（“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)模是1016，目前全世界的存儲(chǔ)容量是1022）。
發(fā)展歷程
2017年，潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)（ENIAC）的光量子計(jì)算原型機(jī)。
2019年，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的薩特延德拉·玻色抽樣，輸出復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特的戴維·希爾伯特態(tài)空間，逼近了量子計(jì)算優(yōu)越性?。
此后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主研制同時(shí)具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴(kuò)展能力的量子光源，同時(shí)滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機(jī)矩陣、波包重合度優(yōu)于99.5%、通過(guò)率優(yōu)于98%的100模式干涉線路，相對(duì)光程10的負(fù)9次方以內(nèi)的鎖相精度，高效率100通道超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器。
2020年12月4日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布該校潘建偉等人成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，是在2015年國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（8光子）之后的一個(gè)實(shí)質(zhì)性飛躍。同天，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表了該成果，審稿人評(píng)價(jià)這是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”“一個(gè)重大成就”。
2023年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)、劉乃樂(lè)等組成的研究團(tuán)隊(duì)基于“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)，首次演示了對(duì)“稠密子圖”和“Max-Haf”兩類一筆畫問(wèn)題應(yīng)用問(wèn)題的求解，實(shí)驗(yàn)速率相比全球最快超級(jí)計(jì)算機(jī)快約1.8億倍。
運(yùn)算性能
九章開發(fā)團(tuán)隊(duì)聲稱當(dāng)求解5000萬(wàn)個(gè)樣本的gaussian薩特延德拉·玻色抽樣時(shí)，“九章”需200秒，而截至2020年世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”需6億年；當(dāng)求解100億個(gè)樣本時(shí)，九章需10小時(shí)，而富岳需1200億年等效來(lái)看，“九章”的計(jì)算速度比“三球懸鈴木”快100億倍，并彌補(bǔ)了“懸鈴木”依賴樣本數(shù)量的技術(shù)漏洞。
中科大新聞稿還指出，根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”對(duì)于處理高斯玻色取樣的速度比超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快100萬(wàn)億倍，等效地比谷歌的超導(dǎo)量子比特計(jì)算機(jī)“懸鈴木”快100億倍。
實(shí)驗(yàn)顯示，“九章”對(duì)經(jīng)典數(shù)學(xué)算法高斯薩特延德拉·玻色抽樣的計(jì)算速度，比世界最快的超算“富岳”快100萬(wàn)億倍，從而在全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，推動(dòng)全球量子計(jì)算前沿研究達(dá)到一個(gè)新高度，其超強(qiáng)算力在圖論、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。
當(dāng)求解5000萬(wàn)個(gè)樣本的高斯玻色取樣問(wèn)題時(shí)，“九章”需200秒，而“富岳”需6億年；當(dāng)求解100億個(gè)樣本時(shí)，“九章”需10小時(shí)，“富岳”需1200億年。
系統(tǒng)原理
左上方激光系統(tǒng)產(chǎn)生高峰值功率飛秒脈沖；左方25個(gè)光源通過(guò)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生50路單模壓縮態(tài)輸入到右方100模式光量子干涉網(wǎng)絡(luò);最后利用100個(gè)高效率超導(dǎo)單光子探測(cè)器對(duì)干涉儀輸出光量子態(tài)進(jìn)行探測(cè)。
研發(fā)單位
“九章”由潘建偉團(tuán)隊(duì)與中科院中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心進(jìn)行的合作。
名稱來(lái)源
量子計(jì)算機(jī)“九章”命名為“九章”是為了紀(jì)念中國(guó)古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》這本著作。
重要意義
潘建偉表示，這一成果牢固確立了我國(guó)在國(guó)際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位。基于“九章”的“gaussian薩特延德拉·玻色抽樣”算法，未來(lái)將在圖論、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有非常重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。
所獲榮譽(yù)
2021年4月，入選由技術(shù)領(lǐng)域全球知名大學(xué)組成的Netexplo大學(xué)網(wǎng)絡(luò)歷時(shí)一年，在全球范圍內(nèi)遴選出的10項(xiàng)極具突破性的數(shù)字創(chuàng)新技術(shù)。
專家評(píng)價(jià)
對(duì)于“九章”的突破，麻省理工學(xué)院教授、美國(guó)青年科學(xué)家總統(tǒng)獎(jiǎng)得主、斯隆獎(jiǎng)得主Dirk Englund評(píng)價(jià)稱“這是一個(gè)劃時(shí)代的成果。我認(rèn)為這是一個(gè)了不起的成就。這是開發(fā)這些中型量子計(jì)算機(jī)的里程碑”，《科學(xué)》雜志審稿人評(píng)價(jià)稱“這是一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)和重大成就”。
參考資料 >
【科技日?qǐng)?bào)】量子賽道跑出“中國(guó)速度”.中國(guó)科學(xué)院.2025-08-24
十大數(shù)字創(chuàng)新技術(shù)出爐 中國(guó)“九章”榜上有名.人民網(wǎng).2023-12-12
【中國(guó)青年報(bào)】2020中國(guó)/世界十大科技進(jìn)展新聞揭曉！.中國(guó)科學(xué)院.2023-12-12
中國(guó)量子計(jì)算原型機(jī)“九章”算力有多強(qiáng)？一文解讀.人民日?qǐng)?bào)-有品質(zhì)的新聞.2023-12-09
量子計(jì)算原型機(jī)“九章”研制成功 我國(guó)實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑.央視網(wǎng).2023-12-09
中國(guó)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的里程碑:量子計(jì)算機(jī)“九章”.澎湃新聞.2023-12-09
九章三號(hào)“問(wèn)世”：再度刷新量子計(jì)算世界紀(jì)錄｜尋找臨界點(diǎn)?世說(shuō)新語(yǔ)②.百家號(hào).2023-12-12
實(shí)現(xiàn)算力全球領(lǐng)先，中國(guó)量子計(jì)算原型機(jī)“九章”問(wèn)世.觀察者網(wǎng).2020-12-04
中科大研究團(tuán)隊(duì)利用“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)求解圖論問(wèn)題.今日頭條-中國(guó)新聞網(wǎng).2023-06-08