中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團(tuán)隊，基于“九章”光量子計算原型機(jī)完成了對“稠密子圖”和“Max-Haf”兩類圖論問題的求解，通過實驗和理論研究了“九章”處理這兩類圖論問題為搜索算法帶來的加速，以及該加速對于問題規(guī)模和實驗噪聲的依賴關(guān)系。該成果系首次在具有量子計算優(yōu)越性的光量子計算原型機(jī)上開展的面向具有應(yīng)用價值問題的實驗研究。近日，相關(guān)研究成果以“編輯推薦”的形式，發(fā)表在《物理評論快報》上，并被Physics網(wǎng)站專題報道。

量子計算機(jī)的物理實現(xiàn)是當(dāng)前科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一。國際學(xué)術(shù)界對量子計算的實驗發(fā)展制定了三步走的路線圖。其中，第一步是實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”。“量子計算優(yōu)越性”是指通過高精度地操縱近百個物理比特，高效求解超級計算機(jī)無法在合理時間內(nèi)解決的特定的高復(fù)雜度數(shù)學(xué)問題。這一步的意義在于首次從實驗上確鑿地證明量子計算加速，并挑戰(zhàn)“擴(kuò)展的丘奇—圖靈論題”。

2019年底，美國谷歌公司利用超導(dǎo)量子比特宣布實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”。而隨之經(jīng)典模擬算法取得快速發(fā)展，谷歌的這一宣稱受到挑戰(zhàn)。2020年，中國科大潘建偉團(tuán)隊構(gòu)建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機(jī)“九章”，首次達(dá)到基于光子的“量子計算優(yōu)越性”里程碑。2021年，潘建偉團(tuán)隊進(jìn)一步研制了 “祖沖之二號”和“九章二號”，使得我國成為唯一在兩種技術(shù)路線都達(dá)到了“量子計算優(yōu)越性”的國家。

目前，僅有谷歌、中國科大及加拿大Xanadu三個團(tuán)隊實現(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”的目標(biāo)。而只有在實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”的基礎(chǔ)上，量子計算應(yīng)用的實驗研究才有望帶來量子加速。因此，國際學(xué)術(shù)界下一階段的重要科研目標(biāo)之一是探索利用量子計算原型機(jī)演示具有實用價值的問題的求解。

近期，潘建偉團(tuán)隊在繼續(xù)發(fā)展更高質(zhì)量和更強(qiáng)拓展性的光量子計算原型機(jī)的同時，開展了將“九章”所執(zhí)行的高斯玻色采樣任務(wù)應(yīng)用于圖論問題的研究。圖論起源于著名的“哥尼斯堡七橋問題”，被廣泛用于描述事物之間的關(guān)系，如社交網(wǎng)絡(luò)、分子結(jié)構(gòu)和計算機(jī)科學(xué)中的許多問題均可對應(yīng)到圖論問題。高斯玻色采樣與圖論問題具有緊密的數(shù)學(xué)聯(lián)系，通過將高斯玻色采樣設(shè)備的每個輸出端口映射到圖的頂點，將每個探測到的光子映射到子圖的頂點，研究人員可以利用實驗得到的樣本加速搜索算法尋找具有更大密度或Hafnian的子圖的過程，從而幫助這兩類圖論問題的求解。這兩類圖論問題在數(shù)據(jù)挖掘、生物信息、網(wǎng)絡(luò)分析和某些化學(xué)模型研究等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。該工作首次利用“九章”執(zhí)行的高斯玻色采樣來加速隨機(jī)搜索算法和模擬退火算法對圖論問題的求解。研究人員在實驗中使用了超過20萬個80光子符合計數(shù)樣本，相比全球最快超級計算機(jī)使用當(dāng)前最優(yōu)經(jīng)典算法精確模擬該實驗的速率快約1.8億倍。

研究工作得到安徽省、科學(xué)技術(shù)部、中國科學(xué)院、上海市和國家自然科學(xué)基金委員會的支持。

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“九章”量子計算原型機(jī)與圖論問題對應(yīng)關(guān)系原理示意圖