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在很多人印象中，运行速度最快的肯定是超级计算机，但物理学家们正在颠覆这一历史。
近日中国在量子计算领域，光量子和超导量子两大量子计算系统再次取得重要进展，由中国科学技术大学中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心联合进行合作，发展了量子光源受激放大的理论和实验方法，在光量子计算原型机“九章一号”实现了基于个光子的个模式的量子计算和相位可编程功能，完成了高斯玻色取样任务的快速求解。
“九章二号”目前处理速度比目前最快的超级计算机还要快10倍，这一成果再次刷新了中国在光量子操纵的技术水平，进一步地提供了量子计算加速的实验证据。
图丨基于模式干涉仪的“九章二号”量子计算原型机（来源：中科大）
几乎同时，同样由中国科学技术大学中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组与中科院上海技术物理研究所进行合作，在“祖冲之号”基础上构建了新一代的66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之2.0与2.1”，实现了对量子随机线路取样任务的快速求解。“祖冲之2.1”处理速度比目前最快的超级计算机要快上7个数量级，计算复杂度比谷歌公开报道的53比特超导量子计算原型机“悬铃木”提高了6个数量级。
基于光量子和超导量子比特的计算系统那么这两项重大成果意义如何呢？让我们简单回顾一下光量子计算和超导量子计算的原理和发展历史。量子计算技术主要通过发展高精度、高效率的量子态制备与相互作用控制技术，实现规模化的量子比特相干操纵。基于光量子的高斯玻色取样和基于超导量子比特的随机线路取样是展示量子计算优越性的两个重要方案。图丨“九章二号”量子计算原型机整体装置示意图（来源：中科大）
在光量子计算研究中的重要步骤是高斯玻色取样，这是一个从高度纠缠的多光子量子态定义的概率分布取样的过程，目的是通过少量关键样本来获取整体分布的关键信息。
通过由特制的量子光源发出的多光子同时进入光纤通道，在光纤通道末端则有高性能光子探测器，来准确捕获每个光子，所以整个实验的设计及操作是一个极其复杂的过程。
年，潘建伟团队就成功构建了由76个光子个模式下的高斯玻色取样第一代量子计算原型机“九章”，输出量子态空间规模达到了10，实现高斯玻色取样速度比超级计算机快一百万亿倍。
同时潘建伟团队在超导量子计算领域于年5月通过可编程二维量子行走构建了当时国际上量子比特数目最多的62比特的超导量子计算原型机“祖冲之号”。
超导量子超导计算原型机上使用的是Transmon（TransmissionLineShuntedPlasmaOscillation）量子比特,它的原理上是使用含有超导约瑟夫森效应（Josephsoneffect）的非线性振荡器，这种宏观量子效应使超电流在无电压的情况下可以通过弱连接的超导体，Transmon最低的两种能量级被编码作为量子比特态。
每个量子比特态都有两条控制线路相连接，一条为用以驱动和状态的微波线路，一条为偏置磁通线路，用以调谐量子比特的震荡频率。同时由于芯片的网格结构，每个量子比特都与近邻通过可以快速开关的耦合器相连。通过量子编程的方式，实现了对量子随机线路取样，可用于执行任意量子算法的编程能力。
图丨受激双模量子压缩光源产生原理图及高斯波色采样原理图
“强的很”的“九章二号”和“祖冲之2.1”问世这一次在年，潘建伟团队在“九章”原型机的基础上又进行了一系列概念和技术的创新。受到激光原理中“受激辐射光放大”这一概念的启发，研究人员设计并实现了受激双模量子压缩光源，显著提高了量子光源的产率、品质和收集效率。
其次，通过三维集成和收集光路的紧凑设计，多光子量子干涉线路增加到了个维度。由此，“九章二号”探测到的光子数增加到了个，输出态空间维度达到了10。进一步，通过动态调节压缩光的相位，研究人员实现了对高斯玻色取样矩阵的重新配置，演示了“九章二号”可用于求解不同参数数学问题的编程能力。
图丨“祖冲之2.1”示意图及高斯波色采样原理图及随机线路取样原理图（来源，arXiv）同样地，潘建伟团队在“祖冲之号”的基础上采用全新的倒装焊3D封装工艺解决了大规模比特集成的问题，研制成功“祖冲之2.1”，实现了66个数据比特、个耦合比特、11路读取的高密度集成，最大态空间维度达到了10。
“祖冲之2.0”采用可调耦合架构，实现了比特间耦合强度的快速、精确可调，显著提高了并行量子门操作的保真度。基于超导量子比特与光量子比特技术是国际公认的有望实现量子计算的物理体系，量子计算机对特定问题的求解超越超级计算机即量子计算优越性，是量子计算发展的一个重要的里程碑。而以上这些工作奠定了中国成为在光量子计算和超导量子计算两大体系领域同时达到“量子计算优越性”里程碑的唯一国家。
量子计算研究进入全新阶段来自加拿大Calgary大学的著名量子物理学家BarrySanders教授在受邀撰写长篇文章评论这两项重大工作时，高度称赞了这两项重大突破，并表示量子计算超过传统超级计算机（Thepointatwhichaquantum