個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)九章三號(hào)

255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”--204030201引言"九章三號(hào)"量子計(jì)算原型機(jī)的研發(fā)背景"九章三號(hào)"量子計(jì)算原型機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)"九章三號(hào)"的應(yīng)用前景引言11引言123近年來，隨著量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，量子計(jì)算機(jī)的算力不斷提升，逐漸展現(xiàn)出在某些特定問題上的優(yōu)越性其中，光子作為一種優(yōu)秀的量子信息載體，具有相干時(shí)間長(zhǎng)、易于拓展等優(yōu)勢(shì)，一直是量子計(jì)算領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)最近，科學(xué)家們成功研制出了一臺(tái)包含255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)，名為"九章三號(hào)"，進(jìn)一步推動(dòng)了量子計(jì)算的發(fā)展"九章三號(hào)"量子計(jì)算原型機(jī)的研發(fā)背景22"九章三號(hào)"量子計(jì)算原型機(jī)的研發(fā)背景6在量子計(jì)算領(lǐng)域，有一個(gè)著名的"量子霸權(quán)"問題，即量子計(jì)算機(jī)是否能夠解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法在合理時(shí)間內(nèi)解決的問題。2019年，谷歌公司宣稱其開發(fā)的53個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)"懸鈴木"已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了"量子霸權(quán)"，引起了廣泛關(guān)注。此后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直圍繞如何實(shí)現(xiàn)更低閾值、更高品質(zhì)因子和更大規(guī)模的光量子計(jì)算展開深入研究，期待在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)真正的"量子霸權(quán)"在這樣的背景下，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)等組成的研究團(tuán)隊(duì)，與中科院上海微系統(tǒng)所、上海技術(shù)物理所等合作，成功研制出了255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)"九章三號(hào)"。這一成果進(jìn)一步驗(yàn)證了光量子計(jì)算的可行性和潛力，有望為未來實(shí)現(xiàn)可編程通用量子計(jì)算機(jī)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)"九章三號(hào)"量子計(jì)算原型機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)33"九章三號(hào)"量子計(jì)算原型機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)"九章三號(hào)"作為一臺(tái)光量子計(jì)算原型機(jī)，具有以下技術(shù)特點(diǎn)3"九章三號(hào)"量子計(jì)算原型機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)與九章二號(hào)的133的光子數(shù)相比，"九章三號(hào)"采用了255個(gè)光子數(shù)高光子數(shù)基于之前已建立的多光子源技術(shù)平臺(tái)，結(jié)合自行研發(fā)的多通道并行腔結(jié)構(gòu)，"九章三號(hào)"實(shí)現(xiàn)了更高的集成度，未來可進(jìn)一步拓展至更高數(shù)量級(jí)別高可擴(kuò)展性"九章三號(hào)"采用了高性能單光子探測(cè)器與先進(jìn)的多光子干涉技術(shù)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了高精度讀出每個(gè)光子攜帶的量子態(tài)信息高精度讀出通過對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)如全同粒子干涉度、關(guān)鍵比特誤碼率以及多余粒子干涉度進(jìn)行表征，"九章三號(hào)"驗(yàn)證了其實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？蓴U(kuò)展量子計(jì)算的可行性高保真度"九章三號(hào)"的應(yīng)用前景44"九章三號(hào)"的應(yīng)用前景隨著"九章三號(hào)"的研制成功，這種新型的光量子計(jì)算原型機(jī)在很多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景密碼分析：利用量子計(jì)算機(jī)的并行性和速度優(yōu)勢(shì)，可以快速破解傳統(tǒng)的密碼算法，這對(duì)于軍事、政府和金融等領(lǐng)域的安全將產(chǎn)生重大威脅。例如，"九章三號(hào)"可以在短短幾分鐘內(nèi)破解RSA密碼算法，保護(hù)信息安全優(yōu)化問題：在諸如天氣預(yù)報(bào)、物流運(yùn)輸、能源開發(fā)等領(lǐng)域中存在著大量的優(yōu)化問題。利用量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)化算法可以更快地解決這些問題，提高效率4"九章三號(hào)"的應(yīng)用前景人工智能：結(jié)合人工智能算法和量子計(jì)算機(jī)的特性，"九章三號(hào)"可以幫助實(shí)現(xiàn)更高效的人工智能推理和分類任務(wù)。例如，利用量子近似優(yōu)化算法和深度學(xué)習(xí)技術(shù)結(jié)合的量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以在圖像和語(yǔ)音識(shí)別方面取得更好的效果化學(xué)模擬：化學(xué)反應(yīng)的模擬需要對(duì)大量的分子進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。利用"九章三號(hào)"的大規(guī)模并行計(jì)算能力，可以更快速準(zhǔn)確地模擬化學(xué)反應(yīng)過程，有助于新材料的研發(fā)和藥物的設(shè)計(jì)金融領(lǐng)域：在風(fēng)險(xiǎn)管理、投資組合優(yōu)化、預(yù)測(cè)市場(chǎng)走勢(shì)等方面，"九章三號(hào)"能夠處理更多的數(shù)據(jù)和更快地運(yùn)算，為金融決策提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持4"九章三號(hào)"的應(yīng)用前景材料科學(xué)：利用"九章三號(hào)"可以更好地模擬和預(yù)測(cè)材料的各種性質(zhì)和行為，有助于發(fā)現(xiàn)新的材料和改進(jìn)現(xiàn)有材料國(guó)防安全："九章三號(hào)"的高效計(jì)算能力對(duì)于處理大量數(shù)據(jù)和分析復(fù)雜情況具有重要意義，對(duì)于國(guó)家安全領(lǐng)域的任務(wù)處理也很有幫助能源領(lǐng)域：在能源管理、智能電網(wǎng)、新能源開發(fā)等方面，"九章三號(hào)"可以幫助優(yōu)化能源資源的配置和利用效率，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展生物醫(yī)學(xué)：在基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等領(lǐng)域，"九章三號(hào)"可以幫助科學(xué)家們更好地理解和研究生物系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性。例如，使用量子計(jì)算方法可以幫助設(shè)計(jì)更有效的藥物或治療方法4"九章三號(hào)"的應(yīng)用前景2024/5/1414A總之，"九章三號(hào)"作為一臺(tái)光量子計(jì)算原型機(jī)，不僅展示了光子作為量子信息載體的巨大潛力，而且為未來實(shí)現(xiàn)可編程通用量子計(jì)算機(jī)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)B它的出現(xiàn)不僅將改變我們處理某些引言55引言近年來，隨著量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，量子計(jì)算機(jī)的算力不斷提升，逐漸成為解決復(fù)雜問題的新工具01中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事使用76個(gè)光子構(gòu)建了一個(gè)量子計(jì)算原型機(jī)"九章"，在2020年證明了量子計(jì)算機(jī)在處理特定問題時(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快上億億億倍02"九章"系列量子計(jì)算機(jī)66"九章"系列量子計(jì)算機(jī)"九章"量子計(jì)算機(jī)按照"貪心算法"選取了5000萬個(gè)樣本，用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬這5000萬個(gè)樣本需要6億年，但是"九章"只用了200秒就完成了。潘建偉團(tuán)隊(duì)證明了量子計(jì)算機(jī)確實(shí)比超級(jí)計(jì)算機(jī)快，而且快億億億倍潘建偉團(tuán)隊(duì)表示，目前"九章"量子計(jì)算原型機(jī)所處理的"哥本哈根"版本的"玻色取樣"問題，是比"九章"更強(qiáng)大的通用量子計(jì)算機(jī)最終將要處理的問題。而此次新研制的"九章三號(hào)"量子計(jì)算原型機(jī)，采用全新的光量子計(jì)算架構(gòu)，相比于前一代設(shè)備，其運(yùn)行速度預(yù)計(jì)將提升一個(gè)數(shù)量級(jí)"九章三號(hào)"的升級(jí)77"九章三號(hào)"的升級(jí)相比于之前的九章二號(hào)，九章三號(hào)在光子數(shù)、時(shí)間、運(yùn)行速度等方面都有提升光子數(shù)：從之前報(bào)道的76個(gè)升級(jí)到了255個(gè)時(shí)間：相比于之前的幾小時(shí)、幾分鐘，現(xiàn)在執(zhí)行一個(gè)任務(wù)的時(shí)間只需要幾十秒運(yùn)行速度：以經(jīng)典計(jì)算機(jī)來比喻相當(dāng)于從經(jīng)典計(jì)算機(jī)提升到超算中心的速度，實(shí)現(xiàn)了"量子優(yōu)越性"此外，在之前基于里德堡原子光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光子-原子相互作用的過程中，光子能量大約在幾百毫電子伏特。而在"九章三號(hào)"中，通過采用超導(dǎo)近紅外單光子源產(chǎn)生光子，其能量大約在幾個(gè)電子伏特，使得光子能量與原子能級(jí)躍遷更加匹配，這樣就能夠通過調(diào)諧濾波和改變波長(zhǎng)的手段消除光源波長(zhǎng)隨時(shí)間變化波動(dòng)對(duì)光源質(zhì)量的影響因素，提高穩(wěn)定性和光源的質(zhì)量?？傮w來說，"九章三號(hào)"實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升"九章三號(hào)"的應(yīng)用88"九章三號(hào)"的應(yīng)用"九章三號(hào)"作為一臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)，具有一些潛在的應(yīng)用場(chǎng)景例如，量子化學(xué)計(jì)算可以提供精確的分子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)能壘；金融科技中也會(huì)大量運(yùn)用量子算法輔助資產(chǎn)分配、預(yù)測(cè)市場(chǎng)動(dòng)蕩；在一些數(shù)學(xué)難題方面也會(huì)涉及到相關(guān)的技術(shù)突破，例如圓周率算法這些都是有可能在未來被量子計(jì)算所賦能的領(lǐng)域010203結(jié)語(yǔ)99結(jié)語(yǔ)"九章三號(hào)"的成功研制表明了我國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域的研究實(shí)力正在逐步增強(qiáng)結(jié)語(yǔ)123未來，"