◎ 科技日?qǐng)?bào)記者 吳長(zhǎng)鋒

12月4日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)，與中科院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。

據(jù)現(xiàn)有理論，該量子計(jì)算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍，即“九章”一分鐘完成的任務(wù)，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一億年。

其速度也等效地比去年谷歌發(fā)布的53個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。

這一成果使得我國(guó)成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑：量子計(jì)算優(yōu)越性（國(guó)外稱“量子霸權(quán)”）。相關(guān)論文于12月4日在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的兩種路徑

由于量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。當(dāng)前，研制量子計(jì)算機(jī)已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一，是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家角逐的焦點(diǎn)。

這當(dāng)中，量子計(jì)算研究的第一個(gè)階段性目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”（亦譯為“量子霸權(quán)”），即研制出量子計(jì)算原型機(jī)在特定任務(wù)的求解方面超越經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

上面提到的量子計(jì)算“特定任務(wù)”，是指經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，非常適合于量子計(jì)算設(shè)備發(fā)揮其計(jì)算潛力的問題。這類問題包括隨機(jī)量子線路采樣、IQP線路、高斯玻色取樣。而谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)所針對(duì)的問題是隨機(jī)量子線路采樣。

所謂“玻色取樣”問題，我們可以理解成一個(gè)量子世界的高爾頓板。

高爾頓板問題是由英國(guó)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)家高爾頓提出來的，這個(gè)問題可以理解為小球從最上方被扔下，每經(jīng)過一個(gè)釘板，都有一半的可能從左邊走，一半的可能從右邊走，當(dāng)有很多個(gè)小球從上往下隨機(jī)掉落時(shí)，落在下面的格子里的小球數(shù)量分布上會(huì)呈現(xiàn)一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這個(gè)模型可以用來直觀地認(rèn)識(shí)中心極限定理。

如果將“高爾頓釘板”發(fā)展出一個(gè)量子版本，即，由全同光子來代替小球，用分束器（當(dāng)一束光通過分束器時(shí)會(huì)被分成兩束強(qiáng)度較低的光，一束透射，另一束反射）來代替釘子，則這個(gè)游戲就變成“玻色取樣”的量子模擬。一般來講，“玻色取樣”是指，在n個(gè)全同玻色子經(jīng)過一個(gè)干涉儀后，對(duì)n個(gè)玻色子的整個(gè)輸出態(tài)空間進(jìn)行采樣的問題。

計(jì)算機(jī)科學(xué)家S.Aaronson和A.Arkhipov于2013年提出一種快速計(jì)算矩陣的常值方法，主要原理是對(duì)經(jīng)過線性器件處理的玻色子的概率分布進(jìn)行抽樣分析，從而可以很快的求出一個(gè)n x n維矩陣常值的方法。自然界中的粒子分為玻色子和費(fèi)米子，而光子屬于玻色子，這樣就可以運(yùn)用光子實(shí)現(xiàn)玻色取樣實(shí)驗(yàn)。

從計(jì)算復(fù)雜度的角度來看，隨著光子數(shù)的增加求解步數(shù)呈指數(shù)上漲。對(duì)于這樣一個(gè)經(jīng)典計(jì)算異常困難的問題，在中小規(guī)模下就可以打敗超級(jí)計(jì)算機(jī)。因此，“玻色取樣”這個(gè)問題被量子計(jì)算領(lǐng)域的科學(xué)家盯上了，準(zhǔn)備拿它小試牛刀，挑戰(zhàn)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

同樣，為什么隨機(jī)量子線路經(jīng)典計(jì)算機(jī)很難模擬？舉個(gè)例子來說，比如一個(gè)50比特的隨機(jī)量子線路采樣，最終輸出的量子態(tài)的態(tài)空間的維度是250，如果使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬，首先要存儲(chǔ)如此高維度的量子態(tài)是極其困難的，其次，在如此高維的計(jì)算空間上，模擬每一層的量子計(jì)算操作，直至輸出最終的計(jì)算結(jié)果，更是難上加難！

而利用超導(dǎo)量子比特實(shí)現(xiàn)隨機(jī)線路取樣和利用光子實(shí)現(xiàn)玻色取樣，是目前國(guó)際學(xué)術(shù)界公認(rèn)的演示量子計(jì)算優(yōu)越性的兩大途徑。在第二種路線上，中科大團(tuán)隊(duì)一直保持國(guó)際領(lǐng)先。2019年，他們實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計(jì)算，輸出狀態(tài)空間維數(shù)高達(dá)三百七十萬億，其復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特，逼近了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

此次，潘建偉團(tuán)隊(duì)通過自主研制同時(shí)具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴(kuò)展能力的量子光源，同時(shí)滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機(jī)矩陣、波包重合度優(yōu)于99.5%、通過率優(yōu)于98%的100模式干涉線路，相對(duì)光程10的負(fù)9次方以內(nèi)的鎖相精度，高效率100通道超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，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”，意為紀(jì)念中國(guó)古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。

“我們實(shí)驗(yàn)中要用到的一些關(guān)鍵器件，國(guó)外一直對(duì)我們進(jìn)行禁運(yùn)，但是我們靠自己、靠國(guó)內(nèi)協(xié)作單位，做出了世界上最好的量子光源。畢竟，科學(xué)是為服務(wù)全人類的。”潘建偉告訴記者，完成這一實(shí)驗(yàn)，需要更多更好的光量子，正是擁有了世界最好的量子光源，這次實(shí)驗(yàn)輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)到了10的30次方。

根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”對(duì)于處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬億倍，等效地比谷歌去年發(fā)布的53比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。同時(shí)，通過高斯玻色取樣證明的量子計(jì)算優(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量，克服了谷歌53比特隨機(jī)線路取樣實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。

這個(gè)成果牢固確立了我國(guó)在國(guó)際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位，為未來實(shí)現(xiàn)可解決具有重大實(shí)用價(jià)值問題的規(guī)模化量子模擬機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。此外，基于“九章”量子計(jì)算原型機(jī)的高斯玻色取樣算法在圖論、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。

量子計(jì)算需經(jīng)歷“三步走”

正是由于量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面，如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等，相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。

事實(shí)上，量子計(jì)算機(jī)的研制是一個(gè)極具挑戰(zhàn)并且周期可能較長(zhǎng)的工作。為了推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)的研制，我們必須把其分成一個(gè)個(gè)的小目標(biāo)，不斷逐次突破。其中的第一個(gè)小目標(biāo)就是“量子優(yōu)越性”(Quantum Supremacy)，指的是量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)特定問題上的計(jì)算能力遠(yuǎn)超過性能最好的超算，證明量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性。因此，“量子優(yōu)越性”被認(rèn)為是量子計(jì)算發(fā)展道路上的一個(gè)重要里程碑。

對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的研究，國(guó)際同行公認(rèn)有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：

第一階段發(fā)展具備50-100個(gè)童子比特的高精度專用量子計(jì)算機(jī)，對(duì)于一些超級(jí)計(jì)算機(jī)無法解決的高復(fù)雜度特定問題實(shí)現(xiàn)高效求解，實(shí)現(xiàn)計(jì)算科學(xué)中“量子計(jì)算優(yōu)越性”的里程碑。

第二階段通過對(duì)規(guī)模化多體量子體系的精確制備、操控與探測(cè)，研制可相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，用于解決若干超級(jí)計(jì)算機(jī)無法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問題，如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等。

第三階段則是通過積累在專用量子計(jì)算與模擬機(jī)的研制過程中發(fā)展起來的各種技術(shù)，提高量子比特的操縱精度使之達(dá)到能超越量子計(jì)算苛刻的容錯(cuò)閾值（大于99.9%) ,大幅度提高可集成的量子比特?cái)?shù)目至百萬量級(jí)，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子邏輯門，研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。

讓夢(mèng)想量子計(jì)算走進(jìn)現(xiàn)實(shí)

2019年10月23日，權(quán)威雜志《自然》刊出了谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)的最新科研工作，在持續(xù)重金投入量子計(jì)算13年后，成功地用實(shí)驗(yàn)證明“量子優(yōu)越性”。即在特定任務(wù)上，量子計(jì)算機(jī)可以大大超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力了。

論文報(bào)道了谷歌團(tuán)隊(duì)基于一個(gè)包含53個(gè)可用量子比特的可編程超導(dǎo)量子處理器，運(yùn)行隨機(jī)量子線路進(jìn)行采樣，耗時(shí)約200秒可進(jìn)行100萬次采樣，并且估計(jì)如果使用當(dāng)時(shí)最強(qiáng)超算Summit來計(jì)算得到同樣的結(jié)果，需耗費(fèi)約1萬年。據(jù)此，谷歌宣稱實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。

實(shí)際上，“量子優(yōu)越性”代表了兩個(gè)方面的競(jìng)爭(zhēng)，一方面量子芯片的比特?cái)?shù)和性能不斷擴(kuò)張，在某些問題上展現(xiàn)出極強(qiáng)的計(jì)算能力；另一方面，經(jīng)典算法和模擬的工程化實(shí)現(xiàn)也可以不斷優(yōu)化，提升經(jīng)典算法的效率和計(jì)算能力。所以，如果能夠提升經(jīng)典模擬的能力，那么谷歌的量子設(shè)備有可能就無法打敗最強(qiáng)超算，從而“稱霸”失敗。

對(duì)于谷歌的“稱霸”，IBM是第一個(gè)跳出來表示“不服”的。IBM指出谷歌對(duì)隨機(jī)量子線路的經(jīng)典模擬優(yōu)化得并不好，如果采用內(nèi)存和硬盤混合存儲(chǔ)方案，模擬53比特、20深度的量子隨機(jī)線路采樣，僅需2.5天。IBM還宣稱這只是他們保守的估計(jì)。

對(duì)此，加拿大卡爾加里大學(xué)教授、量子科學(xué)和技術(shù)研究所所長(zhǎng)Barry Sanders 認(rèn)為，去年，谷歌取得了一項(xiàng)巨大的成果，即量子計(jì)算優(yōu)越性，但這是有爭(zhēng)議的。谷歌的結(jié)果是，他們擁有一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，其性能比其他任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)都要好。然后，IBM對(duì)此提出相反的論點(diǎn)：他們并未完全實(shí)現(xiàn)。質(zhì)疑是否真正的達(dá)到了量子計(jì)算優(yōu)越性。

面對(duì)“九章”所證明的“量子計(jì)算優(yōu)越性”，Barry Sanders則毫不吝嗇地稱贊：“我認(rèn)為這是量子計(jì)算領(lǐng)域最重要的成果之一。這個(gè)實(shí)驗(yàn)不存在爭(zhēng)論，毫無疑問，該實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)器的模擬能力，實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)器的模擬能力。這個(gè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)挑戰(zhàn)非常巨大。為了獲得此結(jié)果，他們必須解決許多非常困難的技術(shù)問題。僅僅在技術(shù)層面上，他們所取得的成就也令人印象深刻。這是人們夢(mèng)寐以求的實(shí)驗(yàn)，他們做成了，讓夢(mèng)想走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。”

畢竟，經(jīng)典算法的發(fā)展以及超算上的工程化實(shí)現(xiàn)，還有提升空間。“量子優(yōu)越性”本身也是經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算博弈和演進(jìn)的過程。谷歌宣稱的“量子優(yōu)越性”，目的僅僅是為了在實(shí)驗(yàn)上證明量子計(jì)算機(jī)確實(shí)有超越目前最強(qiáng)超算的能力，這并不意味著已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)。“量子優(yōu)越性”對(duì)于量子計(jì)算的發(fā)展，僅僅是一個(gè)開始。

對(duì)此，潘建偉向記者表示，量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)并不是一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計(jì)算硬件之間的競(jìng)爭(zhēng)，最終量子并行性會(huì)產(chǎn)生經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法企及的算力。

延伸閱讀

國(guó)外同行盛贊中國(guó)量子科技成就

科技日?qǐng)?bào)記者 吳長(zhǎng)鋒

12月4日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上在線發(fā)表了論文，他們構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。據(jù)現(xiàn)有理論，該量子計(jì)算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍。其速度也等效地比去年谷歌發(fā)布的53 個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。

這一成果使得我國(guó)成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑：量子計(jì)算優(yōu)越性（國(guó)外稱“量子霸權(quán)”）。多位國(guó)外相關(guān)領(lǐng)域的教授，包括多位沃爾夫獎(jiǎng)獲得者，美國(guó)科學(xué)院院士等資深專家，紛紛發(fā)表評(píng)論，盛贊中國(guó)科學(xué)家所取得的這一重大成就。

德國(guó)馬普所所長(zhǎng)、沃爾夫獎(jiǎng)、富蘭克林獎(jiǎng)?wù)碌弥鱅gnacio Cirac評(píng)論說：“總體來說，這是量子科技領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，朝著研制相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有量子優(yōu)勢(shì)的量子設(shè)備邁出了一大步。潘教授的團(tuán)隊(duì)在世界上獨(dú)一無二的，他們產(chǎn)生了包括這個(gè)實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的很多重大成果。”

奧地利科學(xué)院院長(zhǎng)、美國(guó)科學(xué)院院士、沃爾夫獎(jiǎng)得主Anton Zeilinger認(rèn)為，這項(xiàng)工作成果很重要，因?yàn)榕私▊ズ退耐伦C明，基于光子（光的粒子）的量子計(jì)算機(jī)也可能實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

麻省理工學(xué)院教授、美國(guó)青年科學(xué)家總統(tǒng)獎(jiǎng)、斯隆獎(jiǎng)得主Dirk Englund 表示，這是一個(gè)劃時(shí)代的成果，是一個(gè)了不起的成就。這是開發(fā)這些中型量子計(jì)算機(jī)的里程碑。

維也納大學(xué)教授、美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士Philip Walther評(píng)論道：“他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中取得了目前最強(qiáng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)萬億年才能給出的計(jì)算結(jié)果，為量子計(jì)算機(jī)的超強(qiáng)能力給出了強(qiáng)有力的證明。”

加拿大卡爾加里大學(xué)教授、量子科學(xué)和技術(shù)研究所所長(zhǎng)Barry Sanders評(píng)論說：“我認(rèn)為這是一項(xiàng)杰出的工作，改變了當(dāng)前的格局。我們一直努力證明量子信息處理可以戰(zhàn)勝經(jīng)典的信息處理。這個(gè)實(shí)驗(yàn)使經(jīng)典計(jì)算機(jī)望塵莫及。”

昆士蘭大學(xué)教授Tim Ralph評(píng)論說：“我相信潘教授和陸教授團(tuán)隊(duì)的論文是一個(gè)重大突破。這是一個(gè)真正的‘英雄’實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)各個(gè)方面的技術(shù)推進(jìn)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以前的水平。”

美國(guó)科學(xué)院院士、沃爾夫獎(jiǎng)、狄拉克獎(jiǎng)?wù)碌弥鱌eter Zoller表示，利用量子器件來解決日益復(fù)雜的問題并體現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)是量子科學(xué)前沿中的最重要問題之一。陸朝陽、潘建偉和同事們基于光子進(jìn)行的高斯玻色子采樣實(shí)驗(yàn)，無論是在量子系統(tǒng)的大小和擴(kuò)展性方面，還是在實(shí)際應(yīng)用的前景方面，都把研究水平提升到了一個(gè)新的高度。

來源：科技日?qǐng)?bào) 文中圖片由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)提供

[責(zé)任編輯：楊凡、費(fèi)燕妮]

想爆料？請(qǐng)登錄《陽光連線》（ https://minsheng.iqilu.com/）、撥打新聞熱線0531-66661234或96678，或登錄齊魯網(wǎng)官方微博（@齊魯網(wǎng)）提供新聞線索。齊魯網(wǎng)廣告熱線0531-81695052，誠(chéng)邀合作伙伴。