量子计算机九章实现量子霸权，其设计原理是什么？

　　1.中国量子计算机＂九章＂实现量子霸权
　　2020年12月，中国科学技术大学宣布该校成功构建 光子量子计算原型机＂九章＂ 。＂九章＂是中国科学技术大学潘建伟团队、中科院上海微系统所和国家并行计算机工程技术研究中心合作完成。＂九章＂的名字是来源于中国历史上最重要的数学著作《九章算术》，以＂九章＂命名的新型计算机代表着中国人对＂计算能力及速度＂的超高追求。
　　2020年12月，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队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合作在Science 发表题为＂Quantum computational advantage using photons＂的论文，该研究构建了 76个光子的量子计算 原型机＂九章＂，实现了具有实用前景的＂高斯玻色取样＂任务的快速求解。
　　＂九章＂对于处理高斯玻色取样的速度比超级计算机＂富岳＂快100万亿倍，例如求解5000万个样本的高斯玻色取样，＂九章＂只需要200秒，而超级计算机＂富岳＂则需6亿年。
　　谷歌发布的53个超导比特量子计算机＂悬铃木＂在计算随机线路采样问题（不是玻色采样）时，处理100万个样本＂悬铃木＂只需200秒，超级计算机Summit需要2天，但在处理100亿个样本时，＂悬铃木＂要花上20天，而超级计算机Summit任然只需要2天，＂悬铃木＂反而丧失了优越性。而对于高斯玻色采样问题，量子计算优越性不依赖于样本数量， 等效来看＂九章＂的速度是＂悬铃木＂100亿倍 。
　　这一突破使中国成为全球第二个实现＂量子霸权＂的国家 ，第一个实现＂量子霸权＂为谷歌的Sycamore。量子霸权是对于特定任务，量子计算机可以快速解决，而目前的任何传统计算机都不能在一个可接受的时间内完成。
　　2.光量子计算机原理
　　＂九章＂是一台光子的量子计算 ，光量子计算机通常由四个部分组成: 单光子源、单光子光开关、光量子线路、单光子探测器 。单光子源发出单光子，单光子经过光量子线路，传输到单光子探测器，最终单光子探测器输出计算结果。光量子计算的结构示意图如下：
　　上图中：single-photon device 为单光子源、de-multiplexers为单光子光开关、ultra-low-loss
　　photonic circuit为光量子线路、detectors为单光子探测器。
　　单光子源
　　单光子源是发射单个光子的光源 。 无论是相干光源(激光器)还是热光源(电灯泡)这种常规光源,它们都包含了宏观量级（巨大数量）的发光单元， 这些巨量的发光单元之间是不会按照时序一个一个发射光子, 它们的光子总是一股脑地发射到空间中。而单光子源是一个独立的发光单元, 它想要发光的话需要被泵浦到激发态后跃迁回基态, 这个跃迁过程发射一个光子, 理想的单光子源是不可能同时发射多个光子的, 如果系统中使用探测器检测光子，在单光子系统中两个探测器不可能同时接收到光子。
　　单光子光源可以基于InAs/GaAs自主装半导体量子点实现，在一定频率的脉冲激励下，量子点每秒发射约千万个偏振、共振光单光子。为了获得单光子的高纯度和相干性，光影系统必须冷却到-6K以下。
　　单光子光开关
　　单光子光开关可以由普克尔盒（Pockels cell）和偏振器件组成。普克尔盒是一种电光器件，其内部包含一个透光的电光晶体，通过在电光晶体上施加电压，利用普克尔效应控制光的偏振方向。普克尔盒和偏振器件组成分束器，它将单光子分为多种空间模式。
　　光量子线路
　　光量子线路可以是由多个小梯形通道构建的干涉仪，它可以将输入的光子状态实现近似酉变换并输出到探测设备中。这个部件实现了光量子的＂算法＂，通过设计不同的光量子线路可以实现不同的光量子算法。
　　单光子探测器
　　单光子探测器由硅单光子探测器和时间-数字转换器(TDC)组成。硅单光子探测器内部包含一个硅光电管，当接收到一个光子后硅单光子探测器可以输出一个电信号，而时间-数字转换器用于测量时间值。
　　光量子计算机运行流程
　　单光子源发出单光子，单光子经过光纤被发送到单光子光开关，该单光子光开关将单光子分为多种空间模式。被分束的单光子被输入到光量子线路，单光子在光量子线路中实现＂算法＂运算，光量子线路将光子运算的结果输出到单光子探测器，单光子探测器用于检测光量子计算结果。运行流程示意图如下：
　　3.光量子计算机＂九章＂
　　光量子计算机＂九章＂由 两部分组成：光量子硬件、光量子算法 。
　　光量子硬件
　　＂九章＂的光量子硬件由4个关键部件组成：GBS量子光源、光开关、光量子线路、单光子探测器。其结构原理图如下：
　　GBS的量子光源为定制设计的激光系统由Mira 900、脉冲整形器和RegA组成利用9000产生泵浦激光，对其进行频谱和空间整形，使其达到变换极限。脉冲激光被分成13个路径，并聚会到25个PPKTP晶体上，每个PPKTP晶体被放置在热电冷却器(TEC)上进行波长调谐。经过转换的光子由分色镜(DM)分开，不同极化的飞行时间由KTP晶体进行补偿。示意图如下：
　　主动锁相系统原理图如下图。使用泵激光束作为所有光子状态的参考，光子通过一个2m自由空间和一个20m的光纤传播后，泵激光与转换后的光子被双色镜分开，然后在分束器上与参考激光脉冲聚合。
　　光量子算法
　　光量子算法为玻色子采样算法 ，玻色子采样可以理解成一个量子世界的高尔顿板。高尔顿板问题是由英国生物统计学家高尔顿提出来的：将小球从最上方扔下，小球每经过一个钉板，都有50%概率从左边下落和50%概率从右边下落。当有许多个小球从上往下随机掉落时，落在最下放格子里小球的数量会呈现一定的统计规律。这个问题的模型如下图所示。
　　可以将＂高尔顿钉板＂发展出一个量子版本， 使用光子来代替小球，用分束器来代替钉板 。模型如下图所示。
　　光子＂玻色取样＂的分布概率正比于n维矩阵积和式的模方，从计算复杂度的角度来看求解难度是P-hard，随着样本数的增加求解步数呈指数上涨，即使是超级计算机也需要非常长的时间完成计算，例如取样5000万样本超级计算机需要计算6亿年！
　　玻色子采样实验结果
　　＂九章＂玻色子采样实验结果如下：
　　(A)实验(红色)和理论(蓝色)双光子分布与三个tmss输入。
　　(B) 23种不同输入的双光子分布的统计保真度和总变化距离。
　　(C )所有25TMSSs的输出光子数分布。
　　(D)输出状态空间维度的总结。
　　(E)光子数分布（红色）、热态（蓝色）和可区分的SMSS（紫色）的实验结果。
　　(F)所有2模组合的双光子相关统计。
　　(G)针对热态假设的验证检测。
　　(H)对均匀分布的验证。
　　4.九章技术团队
　　光子的量子计算原型机＂九章＂的技术团队是： 中国科学技术大学潘建伟团队、中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心 。
　　潘建伟
　　潘建伟主要从事量子光学、量子力学和量子信息等方面的研究工作，是该领域有国际影响的学者，特别是在量子通信、多光子纠缠操纵和冷原子量子存储等研究方向上做出了系统性创新贡献。在Nature、Science、PNAS和Physical Review Letters等重要国际学术期刊上发表论文180余篇，并受国际权威综述期刊Reviews of Modern Physics邀请先后撰写关于多光子纠缠实验和现实条件下量子通信安全性的综述论文。
　　潘建伟个人履历如下图：
　　中科院上海微系统所
　　中科院上海微系统所全称是中国科学院上海微系统与信息技术研究所，其前身是成立于1928年的国立中央研究院工程研究所，是中国最早的工学研究机构之一。2001年8月，根据科研领域和科技发展目标的调整，更名为中国科学院上海微系统与信息技术研究所。中国科学院上海微系统与信息技术研究所学科领域为：电子科学与技术、信息与通信工程；学科方向为微小卫星、无线传感网络、未来移动通信、微系统技术、信息功能材料与器件。
　　根据2016年1月研究所官网显示，中国科学院上海微系统与信息技术研究所有在职职工780人，其中一线科技和管理人员685人，研究员及正高级工程技术人员89人，有院士3人；有8个研究室，6个分支机构，其中国家重点实验室2个，中科院重点实验室2个。
　　中国科学院上海微系统与信息技术研究所的发展历程如下：
　　国家并行计算机工程技术研究中心
　　国家并行计算机工程技术研究中心是一家中国计算机科学技术综合研究所，于1992年8月开始组建，国家并行计算机工程技术研究中心的依托单位是在中国计算机界享有盛誉的中国科学院计算技术研究所。在中国计算机发展的各个时期，该所均研制了多种型号的计算机，一直处于中国国内的领先地位。在发展并行计算机技术方面，该所做出了重要的贡献。中心以该研究所为坚强的技术后盾，已将该所的多项科研成果转化为产品推向市场，并保持中国领先、国际先进的技术水平。
　　国家并行计算机工程技术研究中心的发展历程如下：
　　5.中国量子计算机技术概况
　　量子计算机具有超快计算能力，相比于经典计算机，量子计算机通过特定算法在一些具有重大问题方面实现指数级别的加速（量子霸权）。在这种情况下， 量子计算已经成为了世界各国抢占经济、军事、安全等领域优势的战略制高点 。下图是世界各国在量子技术的专利数量。
　　潘建伟团队自主研制出的76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机＂九章＂，输出量子态空间规模达到10的30次方， 这一成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，该技术为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定技术基础 。
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