中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn) “量子霸權(quán)”，計(jì)算速度比超級(jí)計(jì)算機(jī)快100萬(wàn)億倍
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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的一套光量子計(jì)算系統(tǒng)，最近在高斯玻色采樣（Gaussian Boson Sampling）問(wèn)題上取得重要突破，求解速度達(dá)到目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)的一百萬(wàn)億倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
這意味著中國(guó)科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn) “量子霸權(quán)”（quantum supremacy），另一個(gè)說(shuō)法是量子優(yōu)越性（quantum computational advantage），即在某個(gè)特定問(wèn)題上的計(jì)算能力遠(yuǎn)超現(xiàn)有最強(qiáng)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在有限時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成計(jì)算。
北京時(shí)間12月4日凌晨，該工作在《科學(xué)》雜志在線發(fā)表，論文標(biāo)題為 “用光子實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性”（Quantum computational advantage using photons）[1]。
“這是一個(gè)巨大的技術(shù)突破”，德國(guó)馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所理論部主任伊格納西奧·西拉克（Ignacio Cirac）表示，“遠(yuǎn)超其他高斯玻色采樣實(shí)驗(yàn)。
“我有點(diǎn)驚訝，因?yàn)檫@項(xiàng)實(shí)驗(yàn)非常困難”，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的計(jì)算機(jī)科學(xué)教授斯科特·亞倫森（Scott Aaronson）在郵件中告訴《知識(shí)分子》。
潘建偉將該光量子計(jì)算系統(tǒng)命名為 “九章”，以此紀(jì)念中國(guó)古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。
量子計(jì)算機(jī)可以解決一些超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的問(wèn)題，“九章” 解決的 “高斯玻色采樣” 問(wèn)題就是一種。
“高斯玻色采樣” 是一種復(fù)雜的采樣計(jì)算，其計(jì)算難度呈指數(shù)增長(zhǎng)，很容易超出目前超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，適合量子計(jì)算機(jī)來(lái)探索解決。它是 “玻色采樣” 問(wèn)題的一種，而玻色采樣問(wèn)題是量子信息領(lǐng)域第一個(gè)在數(shù)學(xué)上被嚴(yán)格證明可以用來(lái)演示量子計(jì)算加速的算法。
在本研究中，潘建偉和同事們構(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 “高斯玻色采樣” 任務(wù)的快速求解。具體來(lái)說(shuō)，“九章” 在一分鐘時(shí)間里完成了經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)一億年才能完成的任務(wù)。
2019年10月，美國(guó)物理學(xué)家 John Martinis 帶領(lǐng)的谷歌團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn) “量子霸權(quán)”，他們開(kāi)發(fā)的 “懸鈴木”（sycamore）芯片采用超導(dǎo)量子計(jì)算，產(chǎn)生53個(gè)量子比特，宣稱能用200秒完成經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)大約一萬(wàn)年才能完成的計(jì)算。[2]
作為高斯玻色采樣的共同提出者，亞倫森表示，盡管谷歌的團(tuán)隊(duì)去年已經(jīng)實(shí)現(xiàn) “量子霸權(quán)”，但這個(gè)概念非常重要，需要多個(gè)團(tuán)隊(duì)用多種技術(shù)重復(fù)去證實(shí)，因此他非常高興看到這次的成果。
與谷歌采用零下273攝氏度左右的超導(dǎo)線圈產(chǎn)生量子比特不同，潘建偉團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)用光子實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算過(guò)程，大部分實(shí)驗(yàn)過(guò)程在常溫下進(jìn)行。他們將一束定制的激光分成強(qiáng)度相等的13條路徑，聚焦在25個(gè)晶體上產(chǎn)生25個(gè)特殊狀態(tài)的量子光源，光源通過(guò)2米自由空間和20米光纖（其中5米纏繞在一個(gè)壓電陶瓷上），進(jìn)入干涉儀和彼此 “對(duì)話”，最后的輸出結(jié)果由100個(gè)超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器探測(cè)，最終有76個(gè)探測(cè)器探測(cè)到了光子。
干涉儀中發(fā)生的 “對(duì)話” 過(guò)程，讓光子波在同時(shí)同地完美重合，使光子表現(xiàn)出經(jīng)典世界不存在的量子干涉現(xiàn)象。
該研究的通訊作者之一、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽(yáng)說(shuō)，如果把這個(gè)系統(tǒng)比喻成彈珠機(jī)，光子就是其中的彈珠，這些珠子本身是有 “分身術(shù)” 的，而且兩個(gè)完全相同的珠子之間會(huì)有 “鬼魅般的” 相互作用，相遇的話一定會(huì)一起從同一個(gè)門(mén)跑出去。
在悉尼大學(xué)教授史蒂夫·弗拉米亞（Steve Flammia）看來(lái)，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)最大的亮點(diǎn)是通過(guò)技術(shù)改進(jìn)達(dá)到的實(shí)驗(yàn)規(guī)模（scale）?！翱吹竭@份論文的摘要時(shí)，我的第一個(gè)反應(yīng)是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的規(guī)模是難以置信的”，他在郵件中告訴《知識(shí)分子》。“50個(gè)壓縮態(tài)進(jìn)入100模式的干涉儀？簡(jiǎn)直不可思議！”
弗拉米亞在2005年夏天訪問(wèn)過(guò)潘建偉在合肥的實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)時(shí)他和陸朝陽(yáng)都還是學(xué)生。他當(dāng)時(shí)已經(jīng)對(duì)陸朝陽(yáng)表現(xiàn)出來(lái)的學(xué)術(shù)潛力印象深刻。“同學(xué)們都知道陸朝陽(yáng)將會(huì)做出非常優(yōu)秀的工作?！?/span>
此次實(shí)驗(yàn)非一蹴而就。2017年，潘建偉、陸朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單光子量子計(jì)算機(jī)，2019年則實(shí)現(xiàn)了輸入20個(gè)光子、探測(cè)14個(gè)光子的量子計(jì)算?！爱?dāng)時(shí)國(guó)際上基本上在做大概3到4個(gè)光子”，陸朝陽(yáng)說(shuō)，“我們2019年的這個(gè)工作已經(jīng)讓國(guó)際非常震驚了?！?/span>
一年前，亞倫森認(rèn)為再突破很難，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)難度極大 [3]?！翱瓷先ニ麄兒孟裼龅搅?0-20個(gè)光子的門(mén)檻?！?他對(duì)《知識(shí)分子》說(shuō)。
陸朝陽(yáng)介紹，此次實(shí)驗(yàn)突破這一門(mén)檻的關(guān)鍵，除了采用高速玻色采樣這一新模型，還有多項(xiàng)重要技術(shù)革新。
首先，實(shí)驗(yàn)采用的量子光源是國(guó)際上唯一同時(shí)具備高效率、高全同性（指粒子具有完全相同的屬性）、極高亮度和大規(guī)模擴(kuò)展能力的量子光源。
“（光源的）這些指標(biāo)互相影響、此消彼長(zhǎng)，要同時(shí)保證所有指標(biāo)，就像是讓好多只貓排排坐，要同時(shí)抓住它們。” 陸朝陽(yáng)說(shuō)。
其次，“高精度鎖相技術(shù)” 將光源在自由空間和光纖中的光程抖動(dòng)控制在25納米之內(nèi)。陸朝陽(yáng)以奔跑的50匹馬做比喻，他表示這相當(dāng)于它們跑過(guò)100公里的距離，但偏離路線的誤差小于一根頭發(fā)絲的直徑。
此外，實(shí)驗(yàn)在干涉技術(shù)和單光子探測(cè)技術(shù)上都做到了極高的精度。其中，中科院上海微系統(tǒng)所專門(mén)為實(shí)驗(yàn)建造了一臺(tái)高性能單光子探測(cè)儀。
這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)計(jì)算驗(yàn)證和速度比較在國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心研制的 “神威·太湖之光” 超級(jí)計(jì)算機(jī)上完成。
超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)和光子量子計(jì)算機(jī)，哪個(gè)在計(jì)算能力上潛力更大？
“盡管這次的結(jié)果極好，我還是懷疑光子量子計(jì)算能否在遠(yuǎn)期和其他量子計(jì)算技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。” 弗拉米亞說(shuō)。
通用量子計(jì)算機(jī)指的是可解決所有計(jì)算問(wèn)題的計(jì)算機(jī)?！熬耪隆?目前還不能通用于玻色采樣以外的其他計(jì)算，不具通用性?！斑z憾的是，每個(gè)我們關(guān)心的計(jì)算問(wèn)題都和這個(gè)玻色采樣問(wèn)題沒(méi)有關(guān)系，”弗拉米亞說(shuō)，“比如我們可能關(guān)心貨車如何選擇最有效率的路線送貨，或者關(guān)心怎么樣預(yù)測(cè)一個(gè)特定分子的性質(zhì)以用于化學(xué)或醫(yī)療。研究人員認(rèn)為玻色采樣不能幫助解決這些重要問(wèn)題。”
他認(rèn)為，潘和陸的工作更有可能幫助建立量子通信網(wǎng)絡(luò)和量子互聯(lián)網(wǎng)。
而亞倫森認(rèn)為，未來(lái)也許可以將九章改造成一個(gè)通用量子計(jì)算機(jī)，“谷歌采取的超導(dǎo)量子比特有通用的優(yōu)勢(shì)（如果有足夠的量子比特且持續(xù)時(shí)間夠長(zhǎng)就能做任何運(yùn)算），而計(jì)算玻色采樣需要加入新的資源來(lái)獲得通用性……我相信潘的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)充分意識(shí)到這一點(diǎn)并且正在努力?！?/span>
亞倫森說(shuō)，與谷歌的實(shí)驗(yàn)相比，“九章” 的優(yōu)勢(shì)在于它產(chǎn)生的狀態(tài)空間（state space）大得多，這是因?yàn)楣庾拥恼穹?/span>（amplitude）更多。狀態(tài)空間指的是配置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可能方式，量子計(jì)算機(jī)的狀態(tài)空間越大，經(jīng)典計(jì)算機(jī)要完成相同的計(jì)算就越難。[4]
谷歌 “懸鈴木” 產(chǎn)生的狀態(tài)空間約為10的16次方，而此次 “九章” 產(chǎn)生的狀態(tài)空間約為10的30次方。
亞倫森還表示，由于光子比超導(dǎo)量子比特的相干時(shí)間（coherence times）更長(zhǎng)，一些科學(xué)家相信這種系統(tǒng)最終可能會(huì)比超導(dǎo)量子比特更好達(dá)到規(guī)模計(jì)算的目標(biāo)。
量子計(jì)算由演示轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用，仍需科學(xué)家長(zhǎng)時(shí)間的努力。即使是像谷歌 “懸鈴木” 這樣的通用量子計(jì)算機(jī)，也尚不能解決人們關(guān)心的實(shí)際問(wèn)題。
弗拉米亞認(rèn)為，距離通用量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)還需要很多年。“我預(yù)測(cè)，在某些特殊的現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題上，未來(lái)五年內(nèi)也許能有一些小進(jìn)步，但我想這些問(wèn)題吸引的主要還是科學(xué)家。”
“谷歌和潘建偉的實(shí)驗(yàn)，或其他量子模擬實(shí)驗(yàn)，提示了我們視線外隱藏著什么，但是到達(dá)那里還有很長(zhǎng)的路要走”，希拉克說(shuō)，“但這些實(shí)驗(yàn)讓我們對(duì)前路充滿樂(lè)觀?！?/span>
“我們希望這個(gè)工作能夠激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作，也預(yù)計(jì)將來(lái)會(huì)有提升的空間”，陸朝陽(yáng)說(shuō)，“量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)并不是一個(gè)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)，但最終量子并行性會(huì)產(chǎn)生經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法企及的算力?！?/span>
陸朝陽(yáng)認(rèn)為，就像人們對(duì)激光的認(rèn)識(shí)，從最初實(shí)驗(yàn)室里的工具到許多意想不到的領(lǐng)域中的應(yīng)用，量子計(jì)算機(jī)也許會(huì)遵循相似的路徑。
“在五年內(nèi)，控制數(shù)百到數(shù)萬(wàn)個(gè)量子比特的技術(shù)將成為現(xiàn)實(shí)”，他說(shuō)，“因此產(chǎn)生的量子模擬器和專用量子計(jì)算機(jī)或?qū)⒊蔀槲锢韺W(xué)家、化學(xué)家和工程師在材料應(yīng)用和藥物設(shè)計(jì)方面的重要工具?！?/span>
制版編輯 | 盧卡斯
