中國科學家實現量子計算優越性，比Google更強？

2020-12-05 品玩

2020 年 12 月 4 日，《科學》雜誌發表了一項量子計算領域的重要成果：中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等科學家組成的研究團隊，基於量子計算原型機「九章」，成功實現了「量子計算優越性」。這是中國科學家第一次實現這樣的成果。

除了中國科學技術大學，參與到這一項目裡的科學家還來自中科大上海微系統與信息技術研究所，和國家並行計算機工程技術研究中心。

量子計算優越性是怎麼體現的？

量子計算優越性又稱之為「量子霸權」，是指用量子計算機解決經典計算機實際解決不了的問題。這個術語最早由加州理工學院物理教授約翰·普利斯基爾（John Preskill）提出。

在中國科學家的研究成果中，量子優越性通過快速完成「高斯玻色取樣」任務來展現。據中國科學技術大學上海研究院主辦的科普論壇《墨子沙龍》，科學家們在選取量子計算機的任務時，「需要經過精心考量，該任務最好比較適合已有的量子體系，同時對於經典計算來說很難模擬」。

玻色取樣就是知名度最高的任務之一。簡單來說，玻色取樣是一個複雜的概率問題，並且複雜度隨著量子數量的增加而提高。科學家們發現，玻色取樣任務中，量子計算機在中小量子數量規模下，就有可能打敗超級計算機。因此，玻色取樣成為量子計算領域的一個熱門問題。不過，玻色取樣需要的單光子源，在實驗上很難大規模實現，因此研究人員通常會考慮這個問題的一個變種——高斯玻色取樣。

通過自主研製功能更強大的量子光源，以及實現其他一些必須的突破，中國科學家團隊成功構建了 76 個光子的高斯玻色取樣量子計算原型機「九章」。

在同樣取樣數的任務中，「九章」僅用一分鐘就完成了，而目前最快的超級計算機「富嶽」，需要一億年時間。這意味著，在高斯玻色取樣這一任務中，取樣數相同的情況下，「九章」的速度是「富嶽」的一百萬億倍。

「九章」和「懸鈴木」有什麼不同？

最早宣稱實現量子計算優越性的，是 Google 研究團隊。2019 年 10 月，Google 在《自然》雜誌上刊登了一項成果，利用 53 個超導比特量子計算原型機「懸鈴木」，來完成「隨機線路採樣」任務。

「懸鈴木」用了約 200 秒的時間進行了 100 萬次採樣，同樣的任務，當時最快的超級計算機 Summit 要用一萬年。基於此對比結果，Google 團隊宣稱，在世界範圍內第一次實現了量子優越性。

不過，負責開發 Summit 的 IBM 很快出來反駁，他們認為 Google 的估算方法有問題，而用他們自己的方法，可以讓超算在 2.5 天內完成相同計算任務。這還是」 保守的、最壞情況的估計 「，其他研究能進一步減少時間。

「懸鈴木」另一個被質疑的點是，其量子優越性依賴於樣本數量。據《墨子沙龍》，在「隨機線路取樣」實驗中，「懸鈴木」採集 100 萬個樣本時， 需要 200 秒，超算 Summit 需要 2 天，量子計算相比於超級計算機有優越性。

但如果採集 100 億個樣本的話，經典計算機仍然只需要 2 天，可是 「懸鈴木」 卻需要 20 天才能完成這麼大的樣本採樣，量子計算反而喪失了優越性。而對於高斯玻色採樣問題，量子計算優越性不依賴於樣本數量。

此外，「九章」 運行的溫度條件，也沒有 「懸鈴木」 那樣苛刻，除探測部分需要低溫外，其他部分都是在常溫下運行的。

潘建偉表示，（「九章」實現量子計算優越性）這一成果牢固確立了中國在國際量子計算研究中的第一方陣地位。

但這還只是發展量子計算機的第一階段。按業界普遍公認的標準，量子計算機發展共有三個階段。第二階段的標誌是，研製出可相干操縱數百個量子比特的量子模擬機，解決超算無法勝任的、具有實用價值的問題。第三階段，則以研製出通用量子計算原型機為裡程碑。

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