參考消息網12月5日報導美媒稱，史上第一次，一臺利用光子構建的量子計算機的表現甚至超越了運算速度最快的經典超級計算機。
據《科學美國人》月刊網站12月3日報導，由中國科學技術大學潘建偉和陸朝陽率領的物理學家團隊利用量子計算原型機「九章」，實現了「高斯玻色取樣」任務的快速求解。在線發表在國際學術期刊《科學》上的論文顯示，其結果是76個被探測到的光子，這遠遠超過了先前創下紀錄的5個被測光子以及經典超級計算機的運算能力。
報導稱，與利用矽處理器構建的傳統計算機不同，「九章」量子計算機是一個由雷射器、反射鏡、稜鏡和光子探測器組成的精密桌面裝置。它不是有朝一日可以發送電子郵件或存儲文檔的通用型計算機，但它卻可以展示量子計算技術的潛力。
算力遠超經典計算機
去年，谷歌公司登上新聞頭條，其研發的「西克莫」量子處理器耗時約3分鐘完成了超級計算機需要1萬年才能完成的任務。而中科大團隊在其論文中估計，如果用全球排名靠前的超級計算機「神威·太湖之光」來執行「九章」完成的這項運算任務，需要耗時驚人的25億年。
報導指出，這不過是科學家第二次演示「量子霸權」。這一術語描述的是，在某一時刻，量子計算機在速度上指數級超越任何經典計算機，進而實際上完成其他設備無法完成的計算任務。
這一次不僅證明了原理，有些跡象表明，「高斯玻色取樣」可能有實際用途，例如解決量子化學和數學領域中的專門問題。更廣泛地說，掌握控制作為量子比特的光子的能力是構建任何大規模量子網際網路的先決條件。量子比特類似於在經典計算領域被用來代表信息的比特。
斯科特·阿倫森目前是美國德克薩斯大學奧斯汀校區的理論計算機科學家。2011年，他與當時還是他學生的亞歷克斯·阿爾希波夫率先闡述了玻色取樣的基本原理。阿倫森稱，在許多年的時間裡，玻色取樣實驗一直局限在只能探測到大約3到5個光子的程度上，這與量子霸權「相去甚遠」。他說：「擴大規模是很困難的，向他們致敬。」
報導稱，在過去幾年裡，量子計算技術已經從原本的默默無聞一躍發展為一項價值數十億美元的事業，其對國家安全、全球經濟以及物理學和計算機科學基礎的潛在影響也得到了承認。2019年，美國《國家量子計劃法》被籤署成為法律，美國打算未來10年在量子技術領域投資逾12億美元（1美元約合6.6元人民幣——本網注）。這一領域也吸引了相當大量的炒作，有人發布不切實際的時間表，有人誇誇其談地稱量子計算機將讓經典計算機徹底過時。
技術路線與谷歌不同
報導認為，中科大團隊展示量子計算潛力的最新行動至關重要，因為它採用的方法與谷歌公司的方法截然不同。「西克莫」用金屬超導環構成量子比特，而在「九章」中，光子本身就是量子比特。陸朝陽說，這進一步獨立證實了量子計算原理甚至可以在完全不同的硬體上實現「量子霸權」，「我們因而確信，從長期看，構建有用的量子模擬器和容錯量子計算機最終將是可行的」。
為什麼量子計算機擁有巨大的潛力？想想著名的雙縫實驗。在這個實驗中，一個光子被射向一面有A和B兩條狹縫的屏障。該光子並不穿過狹縫A，也不穿過狹縫B。相反，雙縫實驗證明，光子處於一種「疊加」狀態，即穿過狹縫A和穿過狹縫B這兩種可能性的組合。理論上，利用「疊加」等量子特性可以讓量子計算機在被用來解決某些特定問題時實現相對於經典計算機的指數級提速。
去年，中科大團隊曾演示14光子玻色取樣——筆記本電腦很難完成該任務，但超級計算機卻能輕易完成。為擴大規模並最終實現量子霸權，他們採用了略微不同的規程，即「高斯玻色取樣」。
德國帕德博恩大學的量子光學專家、「高斯玻色取樣」的開發者之一克裡斯蒂娜·西爾伯霍恩說，設計這項技術是為了避開阿倫森和阿爾希波夫的「香草玻色取樣」所使用的不可靠單個光子。
工作複雜性令人生畏
報導指出，西爾伯霍恩承認，即便如此，中科大裝置的複雜性仍令人望而生畏。「九章」的運行從一束雷射開始，這束雷射被分成若干束去打擊25個由磷酸氧鈦鉀製成的晶體。每一個晶體被擊中後，它會可靠地向兩個相反方向吐出光子。然後這些光子被送入100個輸入端，在那裡它們快速穿過一條由300個稜鏡和75面反射鏡組成的路徑。最後，這些光子落在100條狹縫中，並在那裡被探測到。實驗運行的平均時間為200多秒，中科大團隊在每次運行中平均探測到大約43個光子。但在有一次運行中，他們觀測到76個光子——這足以證明他們聲稱實現量子霸權是有理由的。
報導稱，難以估算超級計算機需要用多長時間來解決76個被測光子的分布問題，一大原因是，用25億年時間來運行一臺超級計算機以進行直接驗證並不可行。作為替代，研究人員根據涉及數量較少被測光子時經典計算技術所用運算時間做了推算。研究人員聲稱，在最順利的情況下，解決50個光子的分布問題將花掉超級計算機兩天時間。
「九章」的名字來自《九章算術》一書，該書是一部影響力堪比歐幾裡德《幾何原本》的中國古代教科書。
光量子幹涉實物圖。（中國科學技術大學網站）