3分鐘完成超算25億年計算任務,中國科學家實現「量子霸權」

中科大團隊的實驗裝置（圖片來源：中國科學技術大學）

中國研究團隊在量子計算領域實現了重要進展。在一項發表於《科學》雜誌的最新研究中，中國科學技術大學的潘建偉和陸朝陽團隊與中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心合作，展示了用他們名為「九章」的量子計算機運行高斯玻色採樣的技術。他們用九章探測到76個光子——遠遠超出先前5個光子的記錄。九章也表現出了遠超經典超級計算機的能力，實現了量子優越性（或稱量子霸權）。

撰文 | Daniel Garisto

翻譯 | 王昱

來源 | 環球科學

與由矽處理器構建的經典計算機不同，九章是一個布置了雷射、鏡子、稜鏡和光子探測器的精密桌面。它並不是一個可以發送電子郵件和存儲文件的通用計算機，但它的確證明了量子計算的潛力。

「九章」量子計算原型機光路系統原理圖（圖片來源：中國科學技術大學）

去年，谷歌的量子計算機「懸鈴木」（Sycamore）用3分鐘解決了需要超級計算機運行3天（或者1萬年，取決於估計方法）才能解決的問題，登上了新聞頭條。這篇論文中，中科大團隊估計：要完成九章用200秒完成的特定任務，世界第三超算神威太湖之光需要花費驚人的25億年。

這只是對量子優越性（quantum primacy）的第二次證明。量子優越性描述的是這樣一個時間點：量子計算機以指數速度超過任何經典計算機，高效地完成經典計算機不可能實現的計算任務。這不僅是這一原理的證明，還暗示高斯玻色採樣可能存在一些實際用途，例如解決量子化學和數學中的特殊問題。更廣泛地說，這種控制光子作為量子比特的能力，是任何大型量子網絡的先決條件。（量子比特類似於經典計算中代表信息的比特）

「這並不是輕而易舉的事，」 斯科特·亞倫森（Scott Aaronson）說，他是德克薩斯大學奧斯汀分校的理論計算機科學家，他與當時的學生亞歷克斯·阿基波夫（Alex Arkhipov）一起，在2011年首次概述了玻色取樣的基礎。多年來，玻色取樣實驗停留在檢測到3~5個光子的水平，這距離量子優越性「還有很長的路要走」。亞倫森說：「提升這個數字是很難的，向他們的工作致敬。」

過去幾年，量子計算已經從朦朧的概念上升到數十億美元的產業，因其對國家安全、全球經濟以及物理和計算科學基礎的潛在影響而被認可。2019年，美國通過了《國家量子倡議法案》（National Quantum Initiative Act），在未來10年內計劃向量子技術投資超過12億美元。這一領域也遭到了相當多的炒作，如不切實際的時間表，還有諸如「量子計算機讓經典計算機完全過時」的誇張說法。

中科大團隊對量子計算機潛力的最新證明至關重要，它和谷歌的方法大相逕庭。懸鈴木用金屬超導體迴路形成量子比特；而在九章中，光子本身就是量子比特。這是量子計算原理可以在完全不同的硬體上實現優越性的獨立檢驗。陸朝陽說：「這讓我們相信，從長遠來看，最終實用的量子模擬器和容錯的量子計算機將會變得可行。」

採樣光子

為何量子計算機有巨大的潛力？考慮一下著名的雙縫實驗，光子被射向有兩個狹縫A和B的屏障。光子既沒有穿過A，也沒有穿過B。相反，雙縫實驗表明，光子處在 「疊加態」，或者說可能性的組合，既穿過了A也穿過了B。理論上，利用量子特性（如疊加）允許量子計算機在解決特定問題時，相較於經典計算機有指數級的速度提升。

21世紀早期，物理學家開始對於利用光子的量子特性製造量子計算機產生了興趣，部分原因是光子可以在室溫下充當量子比特，因此無需像其他量子計算方案一樣，執行將系統冷卻到只有幾開爾文的昂貴任務。但他們很快發現，建立一個通用光量子計算機是不可行的。建立一個能夠運行的量子計算機將需要數百萬雷射和其他光學器件。結果是，光子的量子優越性似乎遙不可及。

直到2011年，亞倫森和阿基波夫介紹了玻色採樣的概念，展示如何用幾個雷射、鏡子、稜鏡和光子探測器實現有限的量子計算機。突然間，光量子計算機有了一條證明它可能快於經典計算機的路。

光量子幹涉示意圖（圖片來源：中國科學技術大學）

玻色採樣的裝置類似於名為高爾頓板的玩具——是一個用透明玻璃覆蓋的釘板。球從頂部掉落到一行行釘陣中。在球下落的過程中，它們從釘子上彈起，直到落入底部的槽中。對於經典計算機來說，模擬槽中球的分布相對容易。

玻色採樣用的不是球，而是光子，它用鏡子和稜鏡替代了釘子。雷射中的光子在鏡子上反彈，穿過稜鏡，直到它們落入「槽」中被檢測到。不像經典的球，光子的量子性讓它分布的可能情況數以指數級增長。

玻色採樣解決的是「光子如何分布」的重要問題。玻色採樣是一臺量子計算機，通過其光子分布來求解自身。而經典計算機必須通過計算矩陣的「積和式」（permanent）來找出光子的分布情況。對於兩個光子的輸入，這只是一個簡單的2×2矩陣。但是當光子輸入和探測器數量增多時，矩陣的規模變大，問題的計算難度也呈指數級上漲。

去年中科大團隊展示了檢測到14個光子的玻色採樣——對於筆記本來說很難計算，但是對於超級計算機來說很容易。為了進一步提升量子優越性，它們用了一個略有不同的協議：高斯玻色採樣。

根據德國帕德伯恩大學的量子光學專家，高斯玻色取樣的共同開發者之一克裡斯汀·西爾伯霍恩（Christine Silberhorn）的說法，這項技術旨在避免亞倫森和阿基波夫的「vanilla」玻色採樣中不可靠的單光子。「我想讓它變得更實用，」她說，「這是一個具體到你可以開展實驗的方案。」

即便如此，她也承認此次研究中的實驗方案極其複雜。九章從一束分裂的雷射開始，擊中25個鈦氧基磷酸鉀晶體。每個晶體被擊中後，可靠地向相反的方向釋放兩個光子。光子被送入100種輸入模式，並在其中通過由300個稜鏡和75面鏡子構成的軌道。最終，光子落入100個槽中並被檢測到。平均運行200秒後，中科大團隊每次運行能檢測到43個光子。但是在一次運行中，他們觀測到了76個光子——這足以聲稱實現量子優越性。

100模式相位穩定幹涉儀（圖片來源：中國科學技術大學）

很難估計經典超級計算機解決76個光子的分布問題要花多長時間——很大程度上是因為花25億年運行超級計算機來直接檢驗它是不可行的。不過，研究人員可以根據經典計算機計算較少量的光子時所花的時間進行推測。研究人員稱，最好的情況下，解決50個光子的問題要花費超級計算機兩天時間，這比九章200秒的運行時間要慢得多。

玻色採樣方案多年來一直因為低光子數難以擴展，而缺乏新進展。為了保持靈敏的量子排列，光子必須保持不可區分。想像一下，這就像在一場賽馬比賽中，同時讓賽馬從欄中起跑，又同時到達終點。不幸的是，光子要比馬不可靠得多。

當九章中的光子運行在其22米長的軌道上時，它們的位置差異不會超過25納米。陸朝陽說，這相當於100匹馬跑100千米，穿過終點線時它們的距離差異不超過一根頭髮的寬度。

量子探索

中科大量子計算機的名字九章，來自《九章算術》，一本中國古代的數學著作。

中文裡，九並不僅意味著9，它代表巨大的數量，就像劉禹錫在詩中寫到的——

九曲黃河萬裡沙，

浪淘風簸自天涯。

量子計算經歷了眾多曲折，但仍在向前發展。陸朝陽說，超越經典計算機並不是一蹴而就的事，而是一場持續的競賽，需要看傳統算法和計算機能否追上，或是量子計算機是否能保持它的領先地位。

事物是在持續發展的。10月末，加拿大量子計算初創公司Xanadu的研究人員發現了一種算法，該算法以二次方縮短了經典模擬所用的時間。換句話說，如果之前檢測到50個光子就能實現量子優越性，那麼現在你需要100個。

對於亞倫森這樣的理論計算機科學家，這個結果令人激動，因為它有助於給出反對擴展邱奇-圖靈論題（The Extended Church-Turing Thesis）的進一步證據，這個論題認為任何物理系統都能在經典計算機上被高效地模擬。

「在最廣泛的層面上，如果我們把宇宙想像成計算機，那它是哪種計算機？」 亞倫森說，「是一臺經典計算機？還是量子計算機？」

目前為止，宇宙就像我們正在嘗試製造的計算機一樣，似乎是頑固的量子。