200秒只是短短一瞬，6億年早已是滄海桑田。
12月4日，中國科學技術大學宣布該校潘建偉等人成功構建76個光子的量子計算原型機「九章」，求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級計算機要用6億年。這一突破使我國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家。
「量子優越性像個門檻，是指當新生的量子計算原型機，在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機，就證明其未來有多方超越的可能。」中科大教授陸朝陽說，多年來國際學界高度關注、期待這個裡程碑式轉折點到來。
去年9月，美國谷歌公司推出53個量子比特的計算機「懸鈴木」，對一個數學算法的計算只需200秒，而當時世界最快的超級計算機「頂峰」需2天，實現了「量子優越性」。
近期，潘建偉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，成功構建76個光子的量子計算原型機「九章」。
實驗顯示，當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣時，「九章」需200秒，而目前世界最快的超級計算機「富嶽」需6億年。等效來看，「九章」的計算速度比「懸鈴木」快100億倍，並彌補了「懸鈴木」依賴樣本數量的技術漏洞。
據悉，潘建偉團隊這次突破歷經20年，主要攻克高品質光子源、高精度鎖相、規模化幹涉三大技術難題。
「比如說，我們每次喝下一口水很容易，但每次喝下一個水分子很困難。」潘建偉說，光子源要保證每次只放出1個光子，且每個光子一模一樣，這是巨大挑戰。同時，鎖相精度要在10的負9次方以內，相當於100公裡距離的傳輸誤差不能超過一根頭髮直徑。
與通用計算機相比，「九章」還只是「單項冠軍」。但其超強算力，在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用價值。
12月4日，國際學術期刊《科學》發表了該成果，審稿人評價這是「一個最先進的實驗」「一個重大成就」。
實現「量子霸權」，中國「九章」何以後來居上？
繼谷歌去年10月宣布「量子稱霸」之後，昨天，中國在世界上宣布實現「量子計算優越性」裡程碑，以76個光子、不依賴於樣本數量的更強姿態，登上《科學》雜誌。
76個光子，比谷歌「懸鈴木」快一百億倍，比最強的超級計算機快一百萬億倍——「九章」量子計算原型機的誕生，是否意味著我國在「量子爭霸」上已經取得勝利？人類是否馬上就要進入量子計算的時代了？我們可以用它來做些什麼？
在「九章」的誕生地——中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心，中科院院士潘建偉和陸朝陽教授以論文通訊作者的身份，接受了記者採訪。
陸朝陽介紹「九章」最新進展
論文一作多為90後，「中國量子之父」徒弟也是大神
但凡對量子力學和量子計算有所關注的人，不可能不知道潘建偉。
畢業於中科大近代物理系，在奧地利完成博士學位的潘建偉，2001年起一手搭建起了中國的量子實驗室。這位中國科學技術大學的教授，中國科學院院士，時常被稱為「中國量子之父」——他當之無愧。
作為量子科學研究的「泰鬥」級人物，潘建偉和其團隊已經在這個領域取得過多項重大成果。
潘建偉不僅自己厲害，多年以來，他還為中國培養了一大批量子科學領域的頂尖人才。其中，比較著名的就是他的80後學生陸朝陽。
今年10月，美國物理學會（APS）宣布將2021年度羅夫·蘭道爾和查爾斯·本內特量子計算獎（2021 Rolf Landauer and Charles H. Bennett Award in Quantum Computing）頒給中國科學家陸朝陽，獎勵其「對光量子信息科學，尤其是固態量子光源、量子隱形傳態和光量子計算的突出貢獻」。
1998年春節前夕，陸朝陽所在的東陽中學邀請潘建偉在當時東陽最大的電影院發表了量子物理相關的匯報演講。這場科普報告也為陸朝陽打開了量子世界的大門。
2000年，陸朝陽從浙江東陽走出考入中科大。本科畢業後，恰好當時潘建偉從歐洲歸來組建實驗室，他如願跟隨恩師潘建偉從事光量子信息方面的研究工作。
此後，在老師潘建偉的指導和鼓勵下，陸朝陽不斷學習深造，也逐漸成為量子科學研究領域的佼佼者。
而這次在《科學》雜誌上發表的論文，第一作者也是幾個年輕人，鍾翰森、王輝、陳明城、鄧宇皓等人都是90後。
76個光子有多快？能幹嘛？
「自主研發」成為後來居上之關鍵
76個光子100個模式的「九章」，其算力究竟有多強？先來看一組數據：在室溫條件下運行（除光子探測部分需4K低溫），計算玻色採樣問題，「九章」處理5000萬個樣本只需200秒，超級計算機需要6億年；處理100億個樣本，「九章」只需10小時，超級計算機需要1200億年——而宇宙誕生至今不過約137億年。
由於採用超導體系，谷歌53個量子比特的「懸鈴木」由於採用超導體系，必須全程在-273.12℃（30mK）的超低溫環境下運行，而且在計算隨機線路採樣問題上，存在樣本數量的漏洞：同樣處理100萬個樣本，「懸鈴木」只需200秒，的確比超級計算機的2天要快很多。可當處理100億個樣本時，「懸鈴木」要花上20天，反而不如經典計算機快。
「雖然『九章』和『懸鈴木』分別被設計用來處理不同問題，但如果都和超算比的話，『九章』等效地比『懸鈴木』快了一百億倍，且克服了樣本數量依賴的缺陷。」陸朝陽說，由於操縱量子比特數量的大幅增加，「九章」的輸出態空間（量子糾纏可能出現的狀態）達到了10的30次方——如果要將這些狀態全部紀錄下來，目前世界上所有內存硬碟光碟全部用上也不夠。而「懸鈴木」的輸出態空間為10的16次方，兩者相差了十幾個數量級，這也是導致「懸鈴木」未能充分體現「量子計算優越性」的原因之一。
實際上，就在去年穀歌宣布「懸鈴木」的同期，潘建偉團隊已經實現了20光子輸入60模式幹涉線路的玻色取樣，輸出複雜度相當於48個量子比特的輸出態空間，逼近了「量子計算優越性」。此後，團隊與中科院上海微系統與信息技術研究所合作，自主研發出高性能光子探測器，實現了後來居上。
短短一年，「九章」所用的高效率100通道超導納米線單光子探測器性能從4%提升到了98%。與此同時，陸朝陽也對原先的技術方案進行了大幅革新，最終實現了超越。
「量子霸權」就是碾壓一切？
實現「量子優越性」並非一蹴而就
「量子優越性實驗並不是一個一蹴而就的工作。」在闡釋「九章」的成就之前，潘建偉想先要糾正一個認識上的誤區，即認為「量子霸權」就是碾壓一切，誰先稱霸，誰就得了天下。
實際上，在量子計算領域，國際同行公認有三個指標性的發展階段，目前則處於「量子計算優越性」的第一階段。在這個階段，科學家還在努力嘗試各種方法，試圖更精準地操控更多數量的量子比特，從而獲得更為強大的計算能力。
「這是一個動態過程，所有領先都只是暫時的。」潘建偉說，一方面經典計算機還在不斷發展，另一方面量子計算更是在快速推進。只不過，經典計算機中電子只有0和1兩種狀態，而量子可處於疊加態，每增加一個量子比特，其計算能力就會指數級提升」。因此，「量子爭霸」實際上是更快的經典算法和不斷提升的量子計算硬體之間的競爭，但最終量子並行性會產生經典計算機無法企及的算力，取得碾壓性勝利。
量子計算機與經典計算機之差別
無論是谷歌的「懸鈴木」還是中國的「九章」，其算力都是百萬、上億倍於世界排名第一的超級計算機。超過300位的大數分解，經典計算機最快要算15萬年，量子計算機一秒就完成了。
「在摩爾定律逼近極限的時代，在人們對算力需求指數級增長的時代，量子計算機必然會成為世界前沿的『兵家必爭之地』。」潘建偉介紹，最近美國公布了量子計算領域的最新計劃，英國、歐盟、日本等國家也早有相應規劃，這次「九章」的成功研製，則為中國牢固確立在國際量子計算研究中的第一方陣地位奠定了技術基礎。
量子計算機還能更快嗎？
未來發展有待新材料等領域創新突破
儘管「九章」的算力已快得驚人，但它只是在量子計算第一階段樹起了一座裡程碑，未來的路還有很長。
經典計算機從專用機發展到通用機，走過了20多年曆程，現在的量子計算機就處在最早期的專用機時代。無論是谷歌的「懸鈴木」還是「九章」，都只能用來解決一個特定問題。
潘建偉解釋，這是因為目前可用來搭建量子計算機的材料有限，只能「就食材做菜」，全球都在朝著為數不多的幾個方向努力。未來量子計算機的突破，更有可能依賴於新材料在量子計算硬體上的創新。
光量子幹涉實物圖（攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓）
不過，哪怕量子計算只是走到今天，依然展現出了誘人的應用前景。基於「九章」的高斯玻色取樣算法，有望在後續發展出圖論、機器學習、量子化學等方向上的應用。
另一個問題是，人們如何知曉這些早期的量子計算原型機得到的結果是正確的？潘建偉團隊通過與國家並行計算機工程技術研究中心合作，在超級計算機上對「九章」所獲得的先期結果進行驗證，從簡單開始，直至複雜到超算難以勝任——如果少光子結果都可得到印證，那麼同一個裝置的多光子結果也將是可信的。
就在論文登上《科學》的同時，潘建偉團隊已開始向下一個裡程碑進發：新的量子計算實驗裝置已開始在實驗室搭建，性能還將進一步提升。
延伸閱讀
76個光子100模式幹涉線路實現玻色取樣
所謂取樣，是指從某個概率分布抽取樣本的過程，主要目的是通過少量的關鍵樣本來高效獲取整體分布的關鍵信息。波色採樣是指從由一個高度糾纏的多光子量子態定義的概率分布取樣的過程。
在「九章」量子計算原型機中，有100個光纖通道，最多同時可以有76個光子進入這些通道。這些光子由特製的量子光源發出，確保76個光子完全一模一樣。在通道末端，安放有高性能光子探測器，能夠準確捕獲每個落下的光子。
可以說，從儀器研製到設備布放，實驗經過的每一步都需要經過嚴格計算和精心調製：光子在50路2米自由空間與20米光纖光程中的抖動必須控制在25納米之內，這相當於跑過100千米的距離，誤差要小於一根頭髮絲。
量子計算領域的三個指標性發展階段
第一階段是發展具備50-100個量子比特的高精度專用量子計算機，對於一些超級計算機無能為力的高複雜度特定問題實現高效求解，實現計算科學中「量子計算優越性」的裡程碑。
第二階段是通過對規模化多體量子體系的精確製備、操控與探測，研製可相干操縱數百個量子比特的量子模擬機，用於解決若干超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題，如量子化學、新材料設計、優化算法等。
第三階段是通過積累在專用量子計算與模擬機的研製過程中發展起來的各種技術，提高量子比特的操縱精度，使之達到能超越量子計算苛刻的容錯閾值（>99.9%），大幅提高可集成的量子比特數目（百萬量級），實現容錯量子邏輯門，研製可編程的通用量子計算原型機。
新聞來源：新華社、文匯網
原標題：《中科大研發新型量子計算機，一作多為90後》
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