A. 中科大基於簡並腔中渦旋光子，開創拓撲量子模擬新方法
近日，中國科學技術大學郭光燦院士團隊在基於人工合成維度的量子模擬方面取得重要實驗進展，實現了基於簡並腔中渦旋光子的拓撲量子模擬，為拓撲量子模擬開創新方法。
維度是決定宇宙中物質特性的一個重要物理量。但在科學研究中，由於三維物理世界的限制，人們往往難以研究三維以上的物理系統性質及演化特性。針對這一難題，科學家提出可以通過人工合成維度的方式來解決。例卜搭伏如，在一個三維系統中引入兩個人工合成維度，就可以在該系統上研究五維的物理性質。
渦旋光子作為攜帶不同軌道角動量的光子，其攜帶的軌道角動量數目原理上可以無限，因此它是構建人工合成維度的理想載體。早在2015年，中科院量子信息重點實驗室周正威教授研究組就首次理論提出，基於人工合成光子軌道角動量維度實現量子模擬的方案。中科大郭光燦院士團隊李傳鋒、許金時等人在這一方向進行了長期實驗 探索 ，先後搭建了基於平面鏡、球面鏡和橢球面鏡的簡並光學腔，實現腔內超過46階軌道角動量模式的諧振。
此次，中科大郭光燦院士團隊李傳鋒、許金時、韓永建等人，將渦旋光子束縛在簡並光學諧振腔內，通過引入光子的自旋軌道耦合人工合成了一維的拓撲晶格，為拓撲量子模擬開創了一種新的方法。研究成果於4月19日發表在《自然·通訊》(Nature Communications)上。
在此基礎上，團隊創造性地在駐波簡並腔中引型攜入具有各向異性的液晶相位片，實現腔內渦旋光子軌道角動量和光子自旋（即偏振）的耦合。腔內光子所攜帶的軌道角動量是整數分立的，與一維離散晶格相對應。因此，攜帶不同軌道角動量的光子可以等效為位於不同晶格格點上的准粒子，並通過自旋自由度將具有不同軌道角動量的光子耦合起來，從而模擬粒子在不同晶格格點之間的來回躍遷。
利用共振能譜探測技術，團隊直接刻畫了前述自旋軌道耦合系統的態密度(DOS)和能帶結構。此外，團隊利用實驗裝置優異的可調諧性能，清晰展現了周期性驅動系統能帶枝核打開和閉合的演化過程，並進一步引入不同的演化時序，系統研究了不同拓撲結構的特性並探測到拓撲繞數。
前述研究驗證了利用渦旋光子固有自旋和軌道角動量作為人工合成維度的可行性，為研究豐富的拓撲物理系統提供了一個高度緊湊的實驗平台。
論文共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士研究生楊木，以及碩士研究生張昊清、廖昱瑋。前述研究獲得 科技 部、國家基金委、中國科學院、安徽省的支持。
B. 中科大量子計算優越性實驗入選2021年國際物理學十大進展
澎湃新聞從中國科學技術大學獲悉，12月21日，美國物理學會Physics網站公布了2021年國純雹際物理學領域十項重大進展，中科大潘建偉、朱曉波、陸朝做臘帆陽等完成的「祖沖之二號」和「九章二號」量子計算優越性實驗與美國宇航局「帕克」太陽探測器首次飛越太陽的日冕層、費米國家加速器實驗室發現基本粒子繆子的行為和標准模型理論預言不局前相符等十項研究成果入選。
10月25日，著名物理學期刊《物理評論快報》刊發中國科學技術大學潘建偉院士團隊關於量子計算的兩大成果。其中，他們成功構建了66比特可編程超導量子計算原型機「祖沖之二號」，實現對「隨機線路取樣」問題的快速求解，比目前最快的超級計算機快數萬倍，使得我國首次在超導量子體系達到「量子計算優越性」里程碑。在光子體系，他們在世界首個達到「量子計算優越性」的「九章」光量子計算原型機的基礎上，研製出113個光子144模式的「九章二號」，實現了相位可編程功能，對「高斯玻色取樣」問題的求解速度比目前最快的超級計算機快億億億倍，再次刷新世界紀錄。
這一系列成果使我國成為目前國際上唯一同時在兩種物理體系均達到「量子計算優越性」里程碑的國家。美國物理學會評價認為，中國科學技術大學研究團隊在與谷歌、IBM等競爭中脫穎而出，提供了令人信服的實驗論據，在他們的超導和光學量子計算機展示了卓越的量子計算優越性。
校對：劉威
C. 中科大獲國際里程碑式實驗成果：分布式量子相位估計首獲驗證
近日，來自中國科學技術大學的實驗團隊在《Nature Photonics》發表了一篇文章，裡面講述分布式量子相位估計首獲實驗驗證。
這個訊息代表了很多東西，但為了更好理解，在開始講關於這篇文章的更多內容之前，我們先來聊聊「分布式量子相位估計首獲實驗驗證」這句話。下文將先講「分布式量子相位估計」，隨後講「首獲」，最後才會講到「實驗驗證」。
分布式量子相位估計要講起來也挺復雜，就讓我們從「量子」開始。
在物理學中，量子是參與相互作用的任何物理實體的最小數量。也就是說，一個物理性質可以被「量化」，這意味著物理性質的大小隻能採用由一個量子的整數倍組成的離散值。
舉個通俗的例子來說，一箱紙中，「箱」既是容叢猛器，也是一個衡量單位，隨後便是一疊紙，一張紙。到了「張」以後，剪碎紙張可以變成一條紙，特別特別碎的時候，我們或許可以稱它為一粒紙。這個「粒」就是我們日常生活中接觸到的比較小的單位了，再小？滲輪橋再小基本就用不到了。而量子，則是指物理界中最最最小的單位，因為已經無法再分割得更小了。
但是吧，不是所有的東西都像紙一樣是固體，「量子」的提出也跟紙能分成多少份或者分成多小沒有任何關系。 而是19世紀末20世紀初的時候，有很多物理現象無法解釋，一個沉迷於研究「黑體輻射」的科學家提出了「能量子」這個說法，用作能量的最小單位。因此，誕生了一直都很高大上的「量子力學」。
所以關於量子，不能從固體上面去解釋的話，最常見的就是用於「光」上，作為一種單位。1905年愛因斯坦把「量子」引進了光學里，提出了「光量子」的概念，其實也就是後來大家多多少少都聽過的「光子」。
小結一下就是量子既是波也是粒子，但也可以既不是粒子也不是波。 是不是很繞口？反正就是這個實驗里你說它是波，它確實有干涉和衍射，但對不起，它沒有對應的確定的物理量；那個實驗里你說它是粒子，它確實可數，有確定的質量和電荷，但不好意思，他沒有確定的軌道。
接著我們來解釋一下量子相位估計里的「相位」。
相位是用來描述信號波形變化的度量，通常用角度作為單位，所以也稱作相角或相。這個東西是比較常見的，當信號波形以一定周期的方式發生變化，波形循環一周就是三百六十度。說起來 搞笑 ，我其實真的經常見到，畢竟我每天都玩魔獸桐凳世界。最近經常打的安琪拉神廟里的克蘇恩就很適合出現在這里，為大家現身說法。
其實古代也有相位這個概念，比如月有陰晴圓缺的月相，也屬於這個相位的概念。其實月相說白了就是月球的相位。平時更不要說了，光一個耳機就能經常接觸到相位。說實在話，耳機的 科技 里，其實很多時候，在原有基礎上，做個相位調整就可以得到更符合人體構造的聽感。
相位看似簡單，其實吧，它是個特別重要的東西，為什麼這么說呢？因為量子力學跟經典力學相比，其實就是多了個相位……
說到這里，我們總算要講到「量子相位估計」了。
量子相位估計，顧名思義是用來估計相位的整體操作的特徵向量的。更精確地說，量子相位估計其實是一種量子演算法，是量子傅里葉變換的一個重要應用。它在其它量子演算法中經常用作子常式，是很多量子演算法的基本步驟，其中包括Shor's演算法（秀爾演算法）和HHL演算法（線性方程組的量子演算法）。
分布式量子相位估計中，除了上面提到的幾個名詞，就剩下「分布式」沒講了。這其實才是這個實驗的大頭。這里先賣個關子，後文會著重提到。
接下來是「首獲」，其實這個詞就挺直白的。代表著一個發現，一個全新且一個了不起的成果。
根據合肥 科技 日報的報道，他們是從中國科學技術大學里獲悉這一消息的。中科大的潘建偉院士以及他的同事陳宇翱、徐飛虎等，利用多光子量子糾纏，首次實現了分布式量子相位估計的實驗驗證。這不僅僅在國內是首次，在國際上也是第一次實現，為構建基於量子網路的高精度量子感測奠定了基礎。
這個成果已經於11月30日在線發表在了《自然·光子學》（Nature Photonics）上。據說在投稿期間，幾位審稿人對這項實驗工作給予了高度評價，稱贊這是一項「重要的里程碑工作」。
現在，我們終於要來講講「分布式」這三個字了。
「分布式「在這里指的是分布式感測技術。這項技術可以同時執行多項任務，主要是可以在多個遠程空間節點上完成精密測量的任務。日常生活中我們比較常接觸到的光纖感測器（利用光纖的物理特性實時測試某個場地的空間時間狀態），以及DSN分布式無線感測器網路(Distributed Sensor Network)，都是採用的這種技術。
所以這種分布感測技術是相當適合用於執行量子相關計算的任務的。量子網路作為量子信息和量子計算的重要組成，在執行各類遠程多節點任務中起著重要作用。當對多個空間分布的參量進行測量時，分布式量子感測能夠實現超越經典統計極限的測量精度。然而，分布式量子感測面對的一個重要問題是：如何選擇並制備能夠實現對多個參量最優測量精度的量子糾纏態。
這篇已發表的文章里就詳細講述了他們關於怎麼去解決這個問題的實驗情況，我摘抄並稍作翻譯了一些他們的文章摘要過來：
「分布式量子計量可以提高檢測超出經典限制的空間分布參數的靈敏度。在這里，我們展示了具有離散變數的分布式量子相位估計，以實現海森堡極限相位測量。基於模式和粒子中的並行糾纏，我們展示了針對單個相移和平均相移的分布式量子感測，其誤差減小幅度分別高達散粒雜訊極限1.4 dB和2.7 dB。此外，我們展示了一種具有並行模式糾纏和每種模式下移相器多次通過的組合策略。特別是，我們的實驗使用了六個糾纏光子，每個光子最多通過移相器六次，並獲得了總數為N的光子通過 = 21，在低於散粒雜訊限制的4.7 dB處減少了誤差。我們的研究為常規量子網路中分布式量子感測糾纏和相乾的好處提供了忠實的驗證。」
這些摘要表明，中科大這個研究團隊的該項工作成功實現了多參量分布式量子感測的原理性實驗驗證。通過評估不同糾纏結構情況下的測量精度，驗證了糾纏結構對測量精度的增強效果。也擴展了資源利用率和可測量的參量數量，朝分布式量子感測的實際應用邁出重要一步。
D. 本源量子聯合中科大在量子近似優化演算法研究中取得新進展
近日，本源量子聯合中科大研究團隊在量子近似優化演算法（Quantum Approximate Optimization Algorithm，後稱「QAOA」）的研究中取得最新進展。該研究證明了S-QAOA演算法（Shortcuts to Quantum Approximate Optimization Algorithm，後稱「S-QAOA」）是利用現階段的含雜訊量子計算機求解組合優化問題的理想選擇，進一步推進了量子計算在組合優化問題上的應用。
什麼是組合優化問題？以著名的旅行商問題（TSP）為例，假設有滲乎磨一個旅行商人要拜訪n個城市，他必須選擇所要走的路徑，路徑的限制是每個城市只能拜訪一次，而且最後要回到原來出發的城市。路徑的選擇目標是要求得的路徑長度為所有路徑之中的最小值。這就是一個典型的組合優化問題。
從廣義上講，組合優化問題是涉及從有限的一組對象中找到「最佳」對象的問題。「最佳」是通過給定的評估函數來測量的，該函數將對象映射到某個分數或者成本，目標是找到最高評估分數和最低成本的對象。組合優化往往涉及排序、分類、篩選等問題。
組合優化問題叢斗在現實生活中具有廣泛的應用，比如交通、物流、調度、金融等領域的許多問題都是組合優化問題。並且很多組合優化問題對應的經典演算法都有較高的復雜度，在問題規模較大時，經典計算機難以快速地找到這些問題的最優解。因此，利用量子計算加速組合優化問題的求解具有重要的意義。
在含雜訊的中等規模（NISQ）的量子時代，可靠的量子操作數會受到量子雜訊的限制（目前量子雜訊包括量子退相干、旋轉誤差等）。因此，人們對量子-經典混合演算法很感興趣，這類混合演算法可以藉助經典優化器來優化量子線路中的參數，從而選擇最優的演化路徑，以降低量子線路深度。比較著名的一類量子-經典混合演算法就是量子近似優化演算法（QAOA），它有望為組合優化問題的近似解的求解帶來指數級的加速。
研究人員表示，理論上，如果量子線路足夠深，QAOA可以得到較好的近似解。但由於量子雜訊引起的誤差會隨著量子線路深度的增加而累積，當量子線路深度較大時，QAOA的性能實際上會下降。因此，在當前的量子計算機上展現QAOA演算法的優勢是一項具有挑戰性的任務，降低QAOA演算法的線路深度對於在現階段的量子計算機上展現QAOA演算法的優勢具有重要意義。
為了減少量子電路的深度，研究人員提出了一種新的思路，稱為「Shortcuts to QAOA」:（S-QAOA）。首先，在S-QAOA中考慮了額外的兩體相互作用，在量子電路中加入與YY相互作用相關的雙門以補償非絕熱效應，從而加速量子退火過程，加速QAOA的優化；其次，釋放了兩體相互作用（包括ZZ相互作用和YY相互作用）的參數自由度，增強量子電路的表頃此示能力，從而降低量子線路的深度。數值模擬結果表明，與QAOA相比，S-QAOA在量子線路更淺的情況下可以獲得較好的結果。
研究人員通過引入更多的兩體相互作用和釋放參數自由度來改進QAOA演算法，降低QAOA演算法需要的線路深度，使得QAOA演算法更適合現階段的含雜訊的量子計算機。由於該演算法利用了STA（Shortcuts to adiabaticity）的原理，因此研究人員將其稱為「Shortcuts to QAOA」。
本源量子研究人員表示：「在S-QAOA中，參數自由度的釋放是通過對梯度較大的參數進行進一步的優化，但是是否有更好的方式挑選出最重要的參數做優化，還是值得 探索 和研究的一個方向。我們將在下一步的工作中研究更多的案例，以驗證和完善我們的想法。我們希望我們的方法可以為盡早實現量子優越性提供新的方法和思路。」
E. 中科大：實現兩量子比特和四量子比特糾纏態的可伸縮量子態驗證
量子信息是將信息編碼成量子態的場，利用這些哪鎮狀態的「量子性」，科學家可以比經典計算機進行更有效的計算和更安全的密碼學。由中國科學院中國 科技 大學(USTC)郭光燦教授領導的一個團隊，在實驗上實現了非自適應局域測量對兩量子比特和四量子比特糾纏態的可伸縮量子態驗證，其研究成果發表在《物理評論快報》期刊上。將量子系統初始化為某種狀態是量子信息科學的一個重要方面。
雖然已經開發了各種測量策略來表徵系統初始化的程度，但對於給定的策略，通常在其效率和量子態的可訪問信息之間存在權衡。傳統的量子狀態層析成像可以凳世表徵未知狀態，同時需要非常昂貴的耗時後處理。現在新的理論突破表明，量子態驗證提供了一種用明顯較少的樣本來量化預備態的技術，特別是對於多體糾纏態。在郭光燦教授領導的研究中，對於所有被測試的態，估計的不保真度與樣本數量成反比：
這說明了用少量樣本來表徵量子態的能力，與需要非局部測量的全局最優策略相比，實驗效率只差了一個小的常數因子(<2.5)。研究通過實驗對四光子Greenberger-Horne-Zeilinger態進行了表徵，比較了量子態驗證和量子態層析的性能差異，結果表明量子態驗證在效率和精度上都具有優勢。中科大在實驗上實現了一種最優量子態驗證(QSV)，這種驗證易於實現，並且對現實中的缺陷具有很強的魯棒性。
研究展示的1/n縮放結果來自策略本身，沒有糾纏或自適應測量。其研究結果對許多量子測量任務都有明確的啟示，並可能為後續更復雜的量子系統奠定堅實的基礎。將量子系統初始化為某種狀態是量子信息科學的一個重要方面。雖然已經開發了各種測量策略來表徵系統初始化的程度，但對於給定的策略，通常在其效率和量子態的可訪問棗緩肢信息之間存在權衡。
量子態驗證提供了一種用明顯較少的樣本來量化預備態的技術，特別是對於多體糾纏態。研究修改了原來的方案，使其對實際缺陷具有魯棒性，並在實驗上實現了對具有非自適應局域測量的兩量子比特和四量子比特糾纏態的可擴展量子態驗證。通過實驗對四光子格林伯格-霍恩-澤林格態進行了表徵，比較了量子態驗證和量子態層析的性能差異，結果表明量子態驗證在效率和精度上都具有優勢。
F. 「九章」量子計算機這么猛，到底能做啥只為了一條公式的結果嗎
最近我國的科協技術在天上的在地上的，都有了突破，天上的是咱們的嫦娥5號，地上的就是咱們的量子 科技 。這兩項 科技 幾乎都是每一個發達國家夢寐以求夢寐以求的制高點。
前兩天，數猜碧我國又有了重大的 科技 突破，這個重大的突破，是在最前沿的技術量子技術上，我國科學家宣布構建了76個光子（量子比特）的計算機原型機「九章」。這意味著中國在量子通信領域領先的地位已經毋庸置疑。咋又領先了呢？怎麼回事？到底牛在哪裡？
本次我國發布76個光子的量子計算機原型機「九章」，在求解數學演算法高斯波色取樣的速度，是目前最快的超級計算機100萬億倍 ，在此次運算中 「九章」 僅用了200秒就完成了，而如果傳統的超級計算機所需要的時間是6億年，跟傳統計算機比，沒什麼好比的。 「九章」 的速度是去年穀歌發布的 53 個超導比特量子計算原型機「懸鈴木」快100億倍。你沒聽錯是比谷歌最牛的量子霸權要快100億倍，這些數字已經超過我的理解范圍，反正就是你有1塊錢，我有100億，你明白了這個差距了吧？
量子是構成物質的最基本單元，它是能量的最基本攜帶者，也就是他已經不可以分割出更小的單位了。
科學家是如何利用量子的呢？要利用量子就必須了解量子的特性。量只有兩個特性，
傳統的計算機，一切都是邏輯電路，也就是由N個開關組成的集成電路體，任何一個開關都可以實現開和關（通電與不通電）的其中一種狀態，我們在計算機裡面的稱之0和1，這就是二進制。 而量子這傢伙不但有擁有0和1這兩狀態，它還存在一個種是0也是1的兩種狀態的結合，也就是存在第三種可能，不確定狀態，稱為量子的疊加態。
啥意思，玩人是吧！
當然不是，量子本身是自轉的，沒有去觀察的時候，它是按是45旋轉的，當去觀察時，你只能看到兩種可能中的一種，上旋或者是下旋。也就是去觀察時，只能看到兩種狀態，看不到第三種狀態。就比如，有人問你，你爸爸在家嗎？如果你回家看過了，你會給出兩種可能的答案，在或不在，但是你沒有回去看過，你只能回答不確定，也是就一種未知的狀態，有可能在，也有可能不在，這就第三種狀態，未知的！
當有三種可薯舉以利用的狀態時，這就變成了三進制，一生二，二生三，三生萬物，三進制對二進制來講是一種降維打擊，同一時間二進制只可以做兩種邏輯運算，但三進制可以做三種邏輯運算。二進制64位運算是2的64次方，結果是18446744073709551616，總共20位數，而量子的三進制是3的64次方，結果是 3.43368382 10^30，總共是31位數兆粗，約是二進制的200億倍。而這一次，「九章」的計算能力是3的76次方，算不出來。
在上面我們知道，量子是組成物質最小的單位，也是能量的最基本攜帶者，說明了光子是由多個量子組成的，而這些量子是形成一個量子系統的，相互響影的。其中一個量子改變成了自己的特性，也響應其它量子的特性，這就是量子糾纏。但這個量子糾纏有一個很重的特性，它不受空間的限制，其中一個量子發生改變，與其發量子糾纏的量子離多遠，都會第一時間發生變改。科學家將一粒粒子一分為二，將它們分離 1200公里之外，其中一部分改變了量子屬性，在1200公里外的量子屬性也跟著改變。到目前為止，科學家都不知道是什麼原因導致量就會有這種特性，有人認為可能就是暗物質的存在，也許有某一種的吸引力來吸引著量子，就像地球引力或者或者像地球的南極北極的引力一樣，但這都只是一種猜測。
科學家們是如何利用量子的特性的呢？
從上面我們知道量子有疊加態，正因為量子有疊加態，所以沒有一個准確的答案，也就是說，如果單一用疊加態的話，無法做出計算機出來的，因為它最終沒有得到一個確定的結果，它就像另一個宇宙一樣，什麼可能都有。科學家們如果想要自己得到的結果，就利用了量子的糾纏態，改變某一個量子的特性，就等於輸入自己的條件，而量子計算機也就是按這些條件繼續產生未來的可能。所以說量子計算機最重要的一點就是干涉，只有通過干涉才能得到自己想要的結果。是不是有點改變命運的感覺？
因為量子計算機強大的計算能力，它可以把整個宇宙所容納的可能性，在短時間內計算出來。只要我們能夠有能力控制300個量子，它所容納的可能性就是宇宙誕生以來的所有可能性。
量子計算機對我們有什麼好處呢？
第一，我們可以利用計算機建構許多的模型，我們可以找出 歷史 的真相，我們可以知道未來的發展，密碼這些東西對於量子系統計來講，簡直就是小菜一碟。
第二、我們可以通過建構模型，預測未來的發展，這樣的話我們就可以提前對一些事情做一些改變我們叫做改變命運。比如有一個台風的出現，只要有足夠計算的能力，我們就有可能知道整個台風發展的趨勢和走向，可以通過干涉來改變台風的走向，甚至將台風化解。
第三、國家對金融、經濟、股市的走勢有了更好地把握，可以更精準的出招，困擾人類 社會 多年的經濟危機，將不會再有。
第四、算命、改變命運這些東西，也就太簡單了，因為人生真的很短暫，數據量真的很少，加入適當的變數，就會有適當的人生。控制和改變一個人的人生是非常容易的。
其實太多可能性了，它可以計算出一個宇宙， 、我們就在宇宙之內，變成一切都是可控的，也許最後就是一個有秩序的世界。
外部知識：
什麼是「九章」呢？
「九章」得名於我國古代一部知名的數學專著，是中國古代張蒼、耿壽昌所撰寫。最後成書最遲在東漢前期。《九章算術》內容十分豐富，全書總結了戰國、秦、漢時期的數學成就。同時，《九章算術》在數學上還有其獨到的成就，不僅最早提到分數問題，也首先記錄了盈不足等問題，《方程》章還在世界數學史上首次闡述了負數及其加減運演算法則。它是一本綜合性的 歷史 著作，是當時世界上最簡練有效的應用數學，它的出現標志中國古代數學形成了完整的體系。
光量子計算機。
也就是對光分子的一個控制，利用量子的疊加態和糾纏態，加以干涉的一系列過程的裝置。在光量子計算機領域，中國科學技術大學潘建偉院士、陸朝陽教授領導的團隊，研製出一種操控5個粒子（即5個光量子比特）的光量子計算原型機，在完成「玻色取樣」任務時，它的速度不僅比國際同行之前所有類似實驗的最高紀錄加快至少24000倍，同時，通過和經典演算法比較，也比人類 歷史 上第一台電子管計算機ENIAC和第一台晶體管計算機TRADIC的運行速度快10倍—100倍。
G. 里程碑式突破！——潘建偉團隊解說「九章」量子計算機
新華社合肥12月4日電題：里程碑式突破！——潘建偉團隊解說「九章」量子計算機
在一個特定賽道上，200秒的「量子算力」，相當於目前「最強超算」6億年的計算能力！12月4日，《科學彎搭友》雜志公布了中國「九章」的重大突破。
這台由中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等學者研製的76個光子的量子計算原型機，推動全球量子計算的前沿研究達到一個新高度。盡管距離實際應用仍有漫漫長路，但成功實現了「量子計算優越性」的里程碑式突破。
（小標題）算力新高度 技術三優勢
「量子優越性」——橫亘在量子計算研究之路上的第一道難關。
這是一個科學術語：作為新生事物的量子計算機，一旦在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機，就證明了量子計算機的優越性，跨過了未來多方面超越傳統計算機的門檻。
去年9月，美國谷歌公司宣布研製出53個量子比特的計算機「懸鈴木」，對一個數學問題的計算只需200秒，而當時世界最快的超級計算機「頂峰」需要2天，因此他們在全球首次實現了「量子優越性」。
近期，中科大潘建偉團隊與中科院上海微系統與信息技術研究所、國家並行計算機工程技術研究中心合作，成功構建76個光子的量子計算原型機「九章」。
「取名『九章』，是為了紀念中國古代著名數學專著《九章算術》。」潘建偉說。
實驗顯示，「九章」對經典數學演算法高斯玻色取樣的計算速度，比目前世界最快的超算「富岳」快一百萬億倍，從而在全球第二個實現了「量子優越性」。
高斯玻色取樣是一個計算概率分布的演算法，可用於編碼和求解多種問題。當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣問題時，「九章」需200秒，而目前世界上最快的超級計算機「富岳」需6億年；當求解100億個樣本時，「九章」需10小時，「富岳」需1200億年。
潘建偉團隊表示，相比「懸鈴木」，「九章」有三大優勢：一是速度更快。雖然算的不是同一個數學問題，但與最快的超算等效比較，「九章」比「懸鈴木」快100億倍。二是環境適應性。「懸鈴木」需要零下273.12攝氏度的運行環境，而「九章」除了探測部分需要零下269.12攝氏度的環境外，其他部分可以在室溫下運行。三是彌補了技術漏洞。「懸鈴木」只有在小樣本的情況下快於超算，「九章」在小樣本和大樣本上均快於超算。
「打個比方，就是谷歌的機器短跑可以跑贏超算，長跑跑不贏；我們的機器短跑和長跑都能跑贏。」他們說。
（小標題）20年努力攻克三大技術難關
對於「九章」的突破，《科學》雜志審稿人評價這是「一個最先進的實驗」「一個重大成就」。
多位國際知名專家也給予高度評價。「這是量子領域的重大突破，朝著研製比傳統計算機更有優勢的量子設備邁出一大步！我相信成果背後付出了巨大的努力。」德國馬克斯·普朗克研究所所長伊格納西奧·西拉克說。
美國麻省理工學院教授德克·英格倫認為，這是「一項了不起的成就」「一個劃時代的成果」。
加拿大卡爾加里大學量子研究所所長巴里·桑德斯說，毫無疑問，這個實驗結果遠遠超出枝租了傳統機器的模擬能力。
據了解，潘建偉團隊這次突破歷經了20年努力，從2001年開始組建實驗室，他們曾多次刷新量子糾纏數量的世界紀錄。「九章」的突破，主要攻克了三大技術難關：高品質量子光源、高精度鎖相技術、規模化干涉技術。
其中的高品質量子光源，是目前國際上唯一同時具備高效率、高全同性、高亮度和大規模擴展能力的量子光源。「比如說，我們每次喝下一口水很容易，但要每次喝下一個水分子非常困難。」中科大教授陸朝陽說，高品質光源要保證每次只「放出」1個光子，且每個光子要一模一樣，這是巨大挑戰。同時，鎖相精度要控制在10的負9次方以內，相當於傳輸一百公里距離，偏差不能超過一根頭發絲的直徑。
此外，為了核驗「九章」算得「准不準」，他們用超算同步驗證。「10個、20個光子的時候，結果都能對得上，到40個光子的時候超算就比較吃力了，而『九章』一直算到了76個光子。」陸朝陽說，另一方面，超算的耗電量太大，計算40個光子時需要電費200萬元，41個光子需要400萬元，42個光子需要800萬元，推算下去將是天埋槐文數字。
（小標題）「算力革命」躍馬人類未來
當前，量子計算已成為全球各國競相角逐的焦點。比如近期，歐盟宣布擬投資80億歐元，研究量子計算等新一代算力技術。
「量子計算機在原理上具有超快的並行計算能力，可望通過特定演算法在密碼破譯、大數據優化、天氣預報、材料設計、葯物分析等領域，提供比傳統計算機更強的算力支持。」潘建偉說。
據了解，國際主流觀點認為，量子計算機的發展將有三個階段：
第一階段，研製50個到100個量子比特的專用量子計算機，實現「量子優越性」里程碑式突破。
第二階段，研製可操縱數百個量子比特的量子模擬機，解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題，比如量子化學、新材料設計、優化演算法等。
第三階段，大幅提高量子比特的操縱精度、集成數量和容錯能力，研製可編程的通用量子計算原型機。
目前，「九章」還處在第一階段，但在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用價值。
潘建偉團隊表示，「量子優越性」實驗並非一蹴而就的工作，而是更快的經典演算法和不斷提升的量子計算硬體之間的競爭，但最終量子計算機會產生傳統計算機無法企及的算力。下一步，他們將在光子、超導、冷原子等多條技術線路上推進研究。
H. 中科大首次實驗驗證多體系統中量子態可被同時導引的特性
近日，中國科學技術大學郭光燦院士團隊在量子信息基礎研究中取得重要進展，首次通過實驗驗證多體系統中量子態可被同時導引的特性，這一成果在多用戶量子通信、量子網路的搭建、多體糾纏檢測中都具有重要的應用前景。
量子導引描述了一個粒子通過局域測量影響另一個粒子量子態的能力。作為一種量子非局域現象，量子導引擁有獨特的非對稱性質，能進一步實現單向量子導引，即一方可以導引另一方，反過來枝核卻不行。在多體量子導引的研究中，單配性關系會限制量子導引在個體之間的分享能力，使得一方不能同時被其他參與方導引。
但理論研究表明，在增加測量方向的情況下，多體量子導引會出現違背單配性的現象，展示出多體之間豐富的導引共享關系結構。為了實驗驗證這種非單配性共享關系，就需要對多體量子系統進行任意測量，這就要求制備具有高保真度的多體糾纏量子比特系統。
此次，郭光燦院士團隊李傳鋒、許金時、孫凱等人對多體量子導引的關系結構進行了實驗研究，首次觀測到多體量子導引的非單配性共享關系，即其中一方的量子態可以被另外兩方同時導引。相關研究成果近日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。
近年來，李傳鋒、許金時、孫凱等人基於光學平台，系統地開展了量子導引的實驗研究，包括全對無(all-versus-nothing)量子導引的驗證、單向量子導引的實現等。在本次研究中，團隊進一步利用光子的偏振、路徑和軌道角動量三個自由度，構建了三量子比特系統，制備了一系列的三體糾纏態，平均保真度達到96%。研究人員通過拓展量子導引的不確定關系判據，研究了多體量子導引的非單配性卜搭伏共享關系。
中科大團隊的實驗結果表明，在三體量子系統中，一方的量子態可以被另外兩方同時導引，這種現象違背了傳統的單配性關系，證實了多體量子導引的共享性質。此外，團隊通過對處於W態（一類多體糾纏態）的三體系統進行充分地分析，展示了不同的量子導引架構，並利用所證實的多體量子導引非單配性的共享關系，進一步實現了三體真糾纏的實驗驗證。與常規方法相對比，這種檢測方法所需要的測量資源更少，展現了其高效性。
此次研究成果展示了量子導引在多體系統中豐型攜富的關系結構，加深了對量子導引物理概念的理解，對量子信息基礎研究具有重要意義。同時該工作為基於量子導引單配性的信息協議提供了全面的分析視角，在多用戶量子通信、量子網路的搭建、多體糾纏檢測中具有重要的應用前景。
中科院量子信息重點實驗室博士研究生郝澤琰為該工作第一作者。此次研究獲得 科技 部、國家基金委、中國科學院、安徽省的支持。
I. 中科大打破技術壟斷，解鎖「芯」技能，光量子晶元成功問世
從中國近幾年的發展速度來看，可以說很多國家都遠遠落後。無論是經濟建設還是基礎設施建設，還是基礎設施建設方面的努力，在科研和技術方面，中國也在不斷努力。
在當今信息時代，最基本的設施是電子晶元，而光量子晶元也是未來新一代信息產業的基礎設施和核心支撐。不知道大家都知道光量子晶元這個詞嗎？
可能說起晶元，很多人會想到華為手機的晶元生產。由於種種打壓，華為在一段時間內受到了瘋狂的攻擊，因為晶元開發的一個重要工具就是光刻機。雕刻機很難進行晶元的研發。
近期，我國在光子量子晶元領域取得重大進展，這意味著在晶元生產領域，光子量子晶元又有了發展方向。這時候，美國也坐不住了。為什麼不能坐以待斃？要知道，晶元技術一直被美國人壟斷。換句話說，我們在這方面受到了阻礙。然而，現在我們學會了這項技術，這也意味著我們打破了壟斷。那你就不能在那邊生氣唯友殲嗎？
說到晶元，最不能迴避的就是華為。我們知道，華為總裁任正非辛苦了很多年，現在甚至可以說是他把華為一路帶到了技術的巔峰。目前，華為的產品甚至在世界范圍內都非常受歡迎。
隨著5G的出現，越來越多的國家對中國有了新的認識。然而，美國卻是紅著眼睛，黑手，開始全力打壓中國。正是因為美國的制裁，華為幾乎在一夜之間被迫進入了發展 歷史 的寒冬，銀包中隱藏著危機和機遇。
由於美國壟斷了晶元市場，華為部分業務不得不按下暫停鍵。在這種情況下，我我國自製晶元和自產光刻機立即啟動。不僅是科研團隊，就連中國企業也開始忙碌起來。不過，這畢竟不是一件容易的事，一直沒有突破。要知道，在這方面，我們的技術掌握是很不成熟的，所以我們要付出更多才能趕上。
後來我們也看到了中國科學院郭光燦院士發的一篇文章，說中國在光量子晶元方面取得了技術突破。近年來，我國 科技 市場掀起告答了一股晶元研發熱潮。除了半導體晶元的研發，我們還在堅持不懈地尋求光子量子晶元領域的新突破，最終實現彎道超車。
那麼首先，什麼是量子晶元？量子電路集成在基板上，承載量指沖子信息處理的功能，這就是量子晶元。這種量子晶元與傳統晶元的製造工藝基本相同。量子晶元屬於基於傳統光導體的新型晶元。
這種半導體材料與以往的半導體材料還是有區別的，在組成的基礎上有很多不同。傳統晶元通過三極體mos管形成電路。它使用高低電平來表示二進制中的 0 和 1。但是，量子晶元不同。人們在量子演算法中使用不同的量子態來表示 0 和 1。
所以可以理解，雖然最終的產品是一樣的，但是使用的材料是不同的。舉個不恰當的例子，像淘寶貨和品牌貨，雖然外觀一樣，但用料肯定不一樣。而如果量子晶元出現，肯定會成為未來計算機的核心技術。那麼，什麼是光子量子晶元？有沒有光子量子晶元，我們可以繞過光刻機不談？下面，我們就來一探究竟。
這種新型光子晶元採用微納處理技術，因此單個晶元可以集成大量光子器件。因此，光量子晶元與傳統晶元和量子晶元的生產原理有著根本的不同。
通常來說，一般來說，光刻機是晶元製造的核心機器。在晶元加工的整個過程中，光刻機可以通過光源能量和形狀控制從電路中投射出光來補償各種光學誤差，然後將電路圖縮小到矽片上。然後化學刻在矽片的電路網上。
這樣一來，製作原理就完全不同了，自然要繞過光刻機的局限。如果未來世界各地都使用光量子晶元，那麼我們的研究人員將不再需要研究覆盆子的 7 納米和 5 納米技術。
就連晶元領域也將直接進入新時代，光刻機將直接從稀有而不可或缺的物件，變成被降維重創、被無情淘汰的東西。就像那些曾經鮮活卻被埋葬在 歷史 長河中的大佬們一樣。
有些人可能不明白。事實上，與傳統晶元相比，光量子晶元是全新的晶元狀態。並且與傳統晶元相比，它最大的優勢是光子晶元的穩定性會更強，所以實際性能會更強大。
這么說吧，傳統晶元的性能主要取決於集成晶體管的數量。如果晶體管小，那麼構成晶元的晶體管數量就會多，計算能力也會相對更強。
對光刻機有一定了解的人，對晶元製造的流程應該不會太陌生。目前，7納米和5納米在這里已經是比較高端的工藝了。蘋果12、華為mate40等，這里都是用5nm晶元。不過，5nm晶元技術，目前只有三星和台積電擁有。不過最近有消息稱，三星要搞3納米晶元了。
要知道，半導體晶元是整個技術領域的核心。畢竟，每一個技術領域都離不開晶元的支持。晶元與電子產品的心臟一樣重要。就像日常生活中的手機和電腦，甚至航空航天，這些小東西都離不開晶元。
晶元實際上是各種半導體元器件的總稱。以前的所有晶元都使用純化硅作為基本材料。處理器之類的一切都是由硅製成的。由於這種元素的物理性質穩定，可以用來製作晶元。而且硅的成本還很低，可以從沙子中提純。
自半導體產業誕生以來，硅基晶元就占據了重要地位。然而，隨著時間的推移和時代的發展，硅晶元也遇到了摩爾定律的物理極限。這也導致了硅材料無法前行，再創輝煌。所以現在很多 科技 公司都開始研發電子晶元、石墨烯晶元等技術，也紛紛用新材料替代硅基材料。
我國自從被美國打壓後，就開始了自主研發晶元的道路。現在，中國元元量子公司是國內第一家研發和推廣量子計算機應用的公司。
而且這家公司還和和誠合作建設了一個量子晶元實驗室，這個實驗室的主要目標是讓我們能夠在低溫下完成集成晶元的設計。值得一提的是，中國科學技術大學博士是這家公司的創始團隊成員。
而源源量子公司已經取得了量子突破。量子技術其實離我們的生活還挺近的，很多國家也在研究這個東西。我國在量子技術方面也取得了一些小成就。中國光子量子晶元誕生。消息一出，世界各國都震驚了。美國甚至厚著臉皮要求我們分享技術。
光量子晶元的成功研發從此宣告，西方國家對我國晶元領域的技術封鎖時代一去不復返了，甚至世界頂級晶元製造公司的三納米、五納米晶元製造技術也一去不復返了。引以為豪的將變得毫無意義。這里可能有人會有疑問，這個光量子晶元到底是什麼東西？為什麼能擺脫晶元製造落後的局面？它與傳統晶元有何不同？真的可以一舉變道超車嗎？
由於國外前沿技術的長期封鎖，光刻機也成了我們的「心臟病」。尤其是在美國限制晶元出口之後，為了克服這個困難重重，全國都在絞盡腦汁想辦法打破國外晶元技術的封鎖，晶元製造有沒有辦法繞過光刻機？
就在大家不知所措的時候，一個振奮人心的消息出現了，那就是中科院團隊研製出光子量子晶元。一旦光量子晶元量產，我們將徹底擺脫無核的困境，再也不用擔心被別人卡住了。
因此，中國研究人員不得不另闢蹊徑，最終將目光投向了量子技術領域。我國在這一領域一直處於世界領先水平。集成光量子晶元於2008年由英國科學家首次提出，立即在全球范圍內掀起研究熱潮。
光量子晶元一度被認為是進入量子時代的墊腳石。眾多實力雄厚的高 科技 企業紛紛入局，都想搶先吃螃蟹，搶占未來高 科技 市場的先機。光量子晶元用光子代替傳統晶元中的電子，完成光電信號的轉換。
作為移動設備最核心的部件，它比傳統晶元更穩定，同時性能更強大。你為什麼這么說？要知道，傳統晶元的性能主要取決於其上集成的晶體管數量。也就是說，晶體管越小，構成晶元的晶體管越多，其計算能力就越強。
不同的是，光量子晶元以光為載體來代替電，並通過微納處理技術在晶元上集成了大量的光量子器件。因此，集成度和精度遠高於前者。穩定性也會更好，性能是傳統晶元無法比擬的。
如果未來光量子晶元量產，我們的科研人員將不再需要繼續研發三納米晶元，世界晶元領域也將開啟一個新紀元。現在大家都處於5G大數據時代，但是5G互聯網要求電腦有更高的性能和更低的消耗。
然而，傳統晶元幾乎無法滿足這些需求，因為目前的主流晶元都是硅基晶元，由於摩爾的定律，已經到了物理極限，突破這個瓶頸非常困難，而光量子晶元可以解決這些問題。
光量子晶元以光為載體具有明顯優勢。比如專有信息的存儲時間長，不容易被外界干擾，再加上穩定性高，量產後成本也會降低，所以如果成功了就換位具有決定性優勢的光刻機。
要知道純硅基晶元的物理極限是七納米。當硅原子低於七納米時，電子會漂移，晶體管會出現漏電問題。目前我國的光刻機只能達到28納米，離世界還有一段距離。要達到最高水平還有很長的路要走。
雖然作為大型電子設備，對於日常使用來說已經足夠了，但是對於手機這樣的小型設備，就需要使用更高精度的晶元了。為了在有限的空間內獲得更高的性能，必須使用更先進的晶元。生產過程。
看到這里，有人可能會問，為什麼我國沒有生產出一流的光刻機？首先，這比大家想像的要困難得多。僅製造一台光刻機所需的組件就超過 100,000 個。完全不可能說所有組件都不進口。甚至荷蘭也來自世界各地。進口零件，但我們在這方面被國外封鎖了。同時，我們也實現了與奧地利的第一次量子通話。隨著科學技術的不斷蓬勃發展，量子技術逐漸走進我們的日常生活，我國也開始進入量子通信領域。
中國之所以在量子領域取得如此巨大的成就，是中國科學家所有努力的結果，而在光量子晶元領域，我國將在不久的將來沖破一切障礙，成功實現大規模生產光量子晶元。我們相信，在即將到來的5G大數據時代，光量子晶元將在更多領域發揮巨大作用，一定是適應未來時代發展的最佳選擇。
到那個時候，我們這些掌握了最新關鍵量子技術的人，再也不用擔心自己的生命線被別人接管了。當然，我們不能因此而懈怠。雖然我國在光子領域取得了重大突破，但要實現量產還有很長的路要走，但相信在不久的將來，中國的心一定會照亮世界。
中國人沒有核心的時代將永遠成為 歷史 。在此，我們要感謝千萬科研工作者為祖國做出的貢獻。中國 科技 之所以能夠成為世界強國之一，每一個都發揮著不可磨滅的作用，你們用實際行動向世界展示了什麼是中國真正的強國。
最後，讓我們向這些默默無聞、為中華民族偉大復興獻身的 科技 工作者致以崇高的敬意。他們是祖國的驕傲，是中華民族的脊樑，是我們每個人學習的榜樣。 你怎麼認為？最後，我國未來也能夠實現晶元自給自足，不再受制於人。今天貓頭鷹 科技 的分享就到這里，歡迎大家留言討論，我們下期再見。