中國科學家實現(xiàn) “量子霸權”，計算速度比超級計算機快100萬億倍
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中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽團隊構建的一套光量子計算系統(tǒng)，最近在高斯玻色采樣（Gaussian Boson Sampling）問題上取得重要突破，求解速度達到目前全球最快的超級計算機的一百萬億倍，遠遠超過經典計算機。
這意味著中國科學家首次實現(xiàn) “量子霸權”（quantum supremacy），另一個說法是量子優(yōu)越性（quantum computational advantage），即在某個特定問題上的計算能力遠超現(xiàn)有最強的傳統(tǒng)計算機，而傳統(tǒng)計算機在有限時間內無法完成計算。
北京時間12月4日凌晨，該工作在《科學》雜志在線發(fā)表，論文標題為 “用光子實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性”（Quantum computational advantage using photons）[1]。
“這是一個巨大的技術突破”，德國馬克斯·普朗克量子光學研究所理論部主任伊格納西奧·西拉克（Ignacio Cirac）表示，“遠超其他高斯玻色采樣實驗。
“我有點驚訝，因為這項實驗非常困難”，德克薩斯大學奧斯汀分校的計算機科學教授斯科特·亞倫森（Scott Aaronson）在郵件中告訴《知識分子》。
潘建偉將該光量子計算系統(tǒng)命名為 “九章”，以此紀念中國古代最早的數(shù)學專著《九章算術》。
量子計算機可以解決一些超出傳統(tǒng)計算機計算能力的問題，“九章” 解決的 “高斯玻色采樣” 問題就是一種。
“高斯玻色采樣” 是一種復雜的采樣計算，其計算難度呈指數(shù)增長，很容易超出目前超級計算機的計算能力，適合量子計算機來探索解決。它是 “玻色采樣” 問題的一種，而玻色采樣問題是量子信息領域第一個在數(shù)學上被嚴格證明可以用來演示量子計算加速的算法。
在本研究中，潘建偉和同事們構建了76個光子的量子計算原型機 “九章”，實現(xiàn)了 “高斯玻色采樣” 任務的快速求解。具體來說，“九章” 在一分鐘時間里完成了經典超級計算機一億年才能完成的任務。
2019年10月，美國物理學家 John Martinis 帶領的谷歌團隊實現(xiàn) “量子霸權”，他們開發(fā)的 “懸鈴木”（sycamore）芯片采用超導量子計算，產生53個量子比特，宣稱能用200秒完成經典超級計算機大約一萬年才能完成的計算。[2]
作為高斯玻色采樣的共同提出者，亞倫森表示，盡管谷歌的團隊去年已經實現(xiàn) “量子霸權”，但這個概念非常重要，需要多個團隊用多種技術重復去證實，因此他非常高興看到這次的成果。
與谷歌采用零下273攝氏度左右的超導線圈產生量子比特不同，潘建偉團隊的實驗用光子實現(xiàn)量子計算過程，大部分實驗過程在常溫下進行。他們將一束定制的激光分成強度相等的13條路徑，聚焦在25個晶體上產生25個特殊狀態(tài)的量子光源，光源通過2米自由空間和20米光纖（其中5米纏繞在一個壓電陶瓷上），進入干涉儀和彼此 “對話”，最后的輸出結果由100個超導納米線單光子探測器探測，最終有76個探測器探測到了光子。
干涉儀中發(fā)生的 “對話” 過程，讓光子波在同時同地完美重合，使光子表現(xiàn)出經典世界不存在的量子干涉現(xiàn)象。
該研究的通訊作者之一、中國科學技術大學教授陸朝陽說，如果把這個系統(tǒng)比喻成彈珠機，光子就是其中的彈珠，這些珠子本身是有 “分身術” 的，而且兩個完全相同的珠子之間會有 “鬼魅般的” 相互作用，相遇的話一定會一起從同一個門跑出去。
在悉尼大學教授史蒂夫·弗拉米亞（Steve Flammia）看來，這項實驗最大的亮點是通過技術改進達到的實驗規(guī)模（scale）?！翱吹竭@份論文的摘要時，我的第一個反應是這個實驗的規(guī)模是難以置信的”，他在郵件中告訴《知識分子》。“50個壓縮態(tài)進入100模式的干涉儀？簡直不可思議！”
弗拉米亞在2005年夏天訪問過潘建偉在合肥的實驗室，當時他和陸朝陽都還是學生。他當時已經對陸朝陽表現(xiàn)出來的學術潛力印象深刻?！巴瑢W們都知道陸朝陽將會做出非常優(yōu)秀的工作?！?/span>
此次實驗非一蹴而就。2017年，潘建偉、陸朝陽團隊構建了世界首臺超越早期經典計算機的單光子量子計算機，2019年則實現(xiàn)了輸入20個光子、探測14個光子的量子計算?！爱敃r國際上基本上在做大概3到4個光子”，陸朝陽說，“我們2019年的這個工作已經讓國際非常震驚了?！?/span>
一年前，亞倫森認為再突破很難，因為實驗難度極大 [3]。“看上去他們好像遇到了10-20個光子的門檻?！?他對《知識分子》說。
陸朝陽介紹，此次實驗突破這一門檻的關鍵，除了采用高速玻色采樣這一新模型，還有多項重要技術革新。
首先，實驗采用的量子光源是國際上唯一同時具備高效率、高全同性（指粒子具有完全相同的屬性）、極高亮度和大規(guī)模擴展能力的量子光源。
“（光源的）這些指標互相影響、此消彼長，要同時保證所有指標，就像是讓好多只貓排排坐，要同時抓住它們。” 陸朝陽說。
其次，“高精度鎖相技術” 將光源在自由空間和光纖中的光程抖動控制在25納米之內。陸朝陽以奔跑的50匹馬做比喻，他表示這相當于它們跑過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，實驗在干涉技術和單光子探測技術上都做到了極高的精度。其中，中科院上海微系統(tǒng)所專門為實驗建造了一臺高性能單光子探測儀。
這項實驗的傳統(tǒng)計算驗證和速度比較在國家并行計算機工程技術研究中心研制的 “神威·太湖之光” 超級計算機上完成。
超導量子計算機和光子量子計算機，哪個在計算能力上潛力更大？
“盡管這次的結果極好，我還是懷疑光子量子計算能否在遠期和其他量子計算技術競爭?！?弗拉米亞說。
通用量子計算機指的是可解決所有計算問題的計算機?！熬耪隆?目前還不能通用于玻色采樣以外的其他計算，不具通用性?！斑z憾的是，每個我們關心的計算問題都和這個玻色采樣問題沒有關系，”弗拉米亞說，“比如我們可能關心貨車如何選擇最有效率的路線送貨，或者關心怎么樣預測一個特定分子的性質以用于化學或醫(yī)療。研究人員認為玻色采樣不能幫助解決這些重要問題。”
他認為，潘和陸的工作更有可能幫助建立量子通信網絡和量子互聯(lián)網。
而亞倫森認為，未來也許可以將九章改造成一個通用量子計算機，“谷歌采取的超導量子比特有通用的優(yōu)勢（如果有足夠的量子比特且持續(xù)時間夠長就能做任何運算），而計算玻色采樣需要加入新的資源來獲得通用性……我相信潘的團隊已經充分意識到這一點并且正在努力。”
亞倫森說，與谷歌的實驗相比，“九章” 的優(yōu)勢在于它產生的狀態(tài)空間（state space）大得多，這是因為光子的振幅（amplitude）更多。狀態(tài)空間指的是配置計算機系統(tǒng)的可能方式，量子計算機的狀態(tài)空間越大，經典計算機要完成相同的計算就越難。[4]
谷歌 “懸鈴木” 產生的狀態(tài)空間約為10的16次方，而此次 “九章” 產生的狀態(tài)空間約為10的30次方。
亞倫森還表示，由于光子比超導量子比特的相干時間（coherence times）更長，一些科學家相信這種系統(tǒng)最終可能會比超導量子比特更好達到規(guī)模計算的目標。
量子計算由演示轉向實際應用，仍需科學家長時間的努力。即使是像谷歌 “懸鈴木” 這樣的通用量子計算機，也尚不能解決人們關心的實際問題。
弗拉米亞認為，距離通用量子計算的實現(xiàn)還需要很多年?！拔翌A測，在某些特殊的現(xiàn)實世界問題上，未來五年內也許能有一些小進步，但我想這些問題吸引的主要還是科學家?！?/span>
“谷歌和潘建偉的實驗，或其他量子模擬實驗，提示了我們視線外隱藏著什么，但是到達那里還有很長的路要走”，希拉克說，“但這些實驗讓我們對前路充滿樂觀?！?/span>
“我們希望這個工作能夠激發(fā)更多的經典算法模擬方面的工作，也預計將來會有提升的空間”，陸朝陽說，“量子優(yōu)越性實驗并不是一個一蹴而就的工作，而是更快的經典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭，但最終量子并行性會產生經典計算機無法企及的算力?！?/span>
陸朝陽認為，就像人們對激光的認識，從最初實驗室里的工具到許多意想不到的領域中的應用，量子計算機也許會遵循相似的路徑。
“在五年內，控制數(shù)百到數(shù)萬個量子比特的技術將成為現(xiàn)實”，他說，“因此產生的量子模擬器和專用量子計算機或將成為物理學家、化學家和工程師在材料應用和藥物設計方面的重要工具?！?/span>
制版編輯 | 盧卡斯
