中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)、劉乃樂等組成的研究團(tuán)隊(duì)基于“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)完成了對(duì)“稠密子圖”和“Max-Haf”兩類圖論問題的求解，通過實(shí)驗(yàn)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，及該加速對(duì)于問題規(guī)模和實(shí)驗(yàn)噪聲的依賴關(guān)系。該研究成果系首次在具有量子計(jì)算優(yōu)越性的光量子計(jì)算原型機(jī)上開展的面向具有應(yīng)用價(jià)值問題的實(shí)驗(yàn)研究。相關(guān)論文近日以“編輯推薦”的形式發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上，并被Physics網(wǎng)站專題報(bào)道。
圖片1：“九章”量子計(jì)算原型機(jī)與圖論問題對(duì)應(yīng)關(guān)系原理示意圖
量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)是當(dāng)前科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一。國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)發(fā)展制定了三步走的路線圖，其中第一步是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”?！傲孔佑?jì)算優(yōu)越性”是指，通過高精度地操縱近百個(gè)物理比特，高效求解超級(jí)計(jì)算機(jī)無法在合理時(shí)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(shí)驗(yàn)上確鑿地證明量子計(jì)算加速，并挑戰(zhàn)“擴(kuò)展的丘奇—圖靈論題”。
2019年底，美國(guó)谷歌公司利用超導(dǎo)量子比特宣布實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，但隨之經(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(guó)科大潘建偉團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了76個(gè)光子100個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，首次達(dá)到基于光子的“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑。2021年，潘建偉團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步成功研制了 “祖沖之二號(hào)”和“九章二號(hào)”，使得我國(guó)成為唯一在兩種技術(shù)路線都達(dá)到了“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國(guó)家。
目前，僅有谷歌、中國(guó)科大以及加拿大Xanadu三個(gè)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算優(yōu)越性”的目標(biāo)。而只有在實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”的基礎(chǔ)上，量子計(jì)算應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究才有望帶來量子加速。因此，國(guó)際學(xué)術(shù)界下一階段的一個(gè)重要科研目標(biāo)是探索利用量子計(jì)算原型機(jī)演示具有實(shí)用價(jià)值的問題的求解。
近期，潘建偉團(tuán)隊(duì)在繼續(xù)發(fā)展更高質(zhì)量和更強(qiáng)拓展性的光量子計(jì)算原型機(jī)的同時(shí)，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探索。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，例如社交網(wǎng)絡(luò)、分子結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)科學(xué)中的許多問題均可對(duì)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(gè)輸出端口映射到圖的頂點(diǎn)，將每個(gè)探測(cè)到的光子映射到子圖的頂點(diǎn)，研究人員可以利用實(shí)驗(yàn)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。該工作中，研究人員首次利用“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(duì)圖論問題的求解。研究人員在實(shí)驗(yàn)中使用了超過20萬(wàn)個(gè)80光子符合計(jì)數(shù)樣本，相比全球最快超級(jí)計(jì)算機(jī)使用當(dāng)前最優(yōu)經(jīng)典算法精確模擬該實(shí)驗(yàn)的速率快約1.8億倍。
該論文第一作者是博士研究生鄧宇皓、龔思秋、顧義超。上述項(xiàng)目受到了安徽省、科技部、中科院、上海市和基金委的支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.190601
Physics網(wǎng)站報(bào)道：https://physics.aps.org/articles/v16/s64
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、物理學(xué)院、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
