我國量子計算機實現「量子霸權」,解讀量子計算機的研究現狀

去年，谷歌的原型量子計算機在幾分鐘內完成了一次最先進超級計算機需要運算100年的數學計算，贏得了國際廣泛讚譽。這一成就被科學界稱為「量子霸權」（也稱為「量子優越性」）——即量子計算機取得了傳統計算機永遠達不到了運算水平。

谷歌量子計算機

周四，中國科學家潘建偉領導的量子研究小組在《科學》雜誌上發表了新的「量子霸權」記錄。據稱，這個名為「九章」的量子計算機在幾分鐘內完成了世界第三大超級計算機需要20億年的時間才能得出的結果。

潘建偉在操縱「九章」

這兩種量子計算體系的運作方式不同。谷歌使用超低溫超導金屬構建量子電路，而位於合肥的中國科技大學研究小組通過操縱光子(光的粒子)取得了實驗結果。

量子計算機還遠遠沒有準備好完成實際的工作。但是，有跡象表明，如今出現兩種完全不同的量子計算形式且都能夠超越超級計算機，這將提振這個萌芽產業的研發熱情和投資。參與該項目的中科大物理學教授呂朝陽稱，這一裡程碑是邁向「大規模容錯量子計算機」的「必要一步」。

谷歌及其競爭對手，包括IBM、微軟、亞馬遜、英特爾和幾家大型初創公司，近年來都在研發量子計算硬體上投入巨資。谷歌和IBM在網際網路上公布了他們最新的原型機，而微軟和亞馬遜的雲平臺則各自擁有來自其他公司(包括霍尼韋爾)的大量量子硬體。

IBM量子計算機

量子計算機的潛在能力來自於它們被稱為「量子位」的基本構造單元。就像傳統計算機的比特一樣，它們可以代表0和1的數據;但是量子位也可以利用量子力學來獲得一種被稱為疊加的不尋常狀態，這種疊加包含了0或1兩種可能性。有了足夠的量子位元，就有可能達成傳統計算機無法走的計算捷徑——這一優勢會隨著更多量子位元的協同工作而增強。

量子計算機還沒有統治世界，因為工程師們還不能讓足夠多的量子位可靠地協同工作。它們所依賴的量子力學效應非常微妙。谷歌和中國的研究小組之所以能夠完成他們的「量子霸權」，是因為他們成功地聚集了相對大量的量子位元。

谷歌的實驗使用了一種名為「懸鈴木」的超導體晶片，該晶片有54個量子位元，被冷卻到絕對1度。其中一個量子位無法工作，但剩下的53個量子位足以證明在一個精心挑選的統計問題上它的性能優於傳統計算機。一個量子計算機要做實際工作需要多少高質量的量子位元尚不清楚，專家的估計從數億到數百萬不等。

量子位

中國的研究團隊使用了統計測試來證明其量子優勢，但其量子數據載體採用了光子的形式，在光學鏡面的反射下，通過放置在實驗臺上的光學電路進行傳輸。在這個過程最後讀出的每一個光子可以被認為大致等同於在谷歌量子處理器上讀出一個量子位，從而可以得到計算的結果。

研究人員在論文稱，從「九章」原型機中測量到了76個光子，但平均只有43個。成員們在 「神威太湖之光」超算上運行了「九章」完成的數學計算，「神威太湖之光」是中國最強大的超級計算機，也是世界上運行速度第三快的超級計算機，但它遠遠無法與之媲美。研究人員計算出，要完成「九章」在3分鐘多一點的時間內完成的任務，傳統超級計算機需要超過20億年的時間。

「九章」和谷歌「懸鈴木」的一個區別是，光子原型不容易重新編程來運行不同的計算。它的設置被一次性硬編碼到它的光學電路中。多倫多量子計算初創公司Xanadu的執行長和創始人克裡斯蒂安·韋德布魯克(Christian Weedbrook)也在研究光子量子計算。他說，這個結果仍然值得注意，它提醒人們，有多種可行的途徑來實現量子計算。「這是光子量子計算的一個裡程碑，」他說，「雖然不完美，但對我們全世界所有人都有好處。」

學術界和工業界正在開發幾種不同形式的量子硬體。基於超導電路的量子位元最為突出，部分得益於谷歌和IBM的巨額投資。工業巨頭霍尼韋爾(Honeywell)和包括IonQ在內的初創公司提供的量子計算機被稱為「離子阱」(ion traps)，它基於懸浮在電場中的單個原子，由量子位製造，也可通過亞馬遜和微軟的雲服務購買。

離子阱

今年9月，韋德布魯克將他的第一個原型機公布在了網上，提供給早期客戶最多12個量子位元。他說，他的團隊可以製造比「九章」更靈活的設備，並相信光子量子計算機很快就能趕上其他形式的計算機。它們的優勢是使用了許多電信網絡中使用的相同組件。

中國研究團隊的魯教授表示，他們也在研究更大、更靈活的量子計算機版本。其他研究人員已經表明，在該小組的「量子霸權」實驗中使用的技術可以用於化學計算，或解決涉及數學圖形的問題，這些問題在交通和社會網絡等領域非常重要。

光子量子計算和「離子阱」量子計算的支持者都表示，他們的技術應該比IBM和谷歌青睞的超導晶片更容易大規模生產，因為他們不需要把設備裝在超低溫冰箱裡。然而，沒有人知道哪種形式的量子計算會首先達到實際應用水平。「我們都有優點和缺點，」 韋德布魯克說。

本文改譯自《Wired》