中國科學家實現「量子霸權」，速度比超級計算機快100萬億倍

2013年烏茲堡中德固態量子信息研討會上，潘建偉（第一排左四）和陸朝陽（第一排左一）討論並定下玻色取樣研究計劃。圖片由受訪者提供。

撰文 | 王一葦

責編 | 陳曉雪

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中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽團隊構建的一套光量子計算系統，最近在高斯玻色採樣（Gaussian Boson Sampling）問題上取得重要突破，求解速度達到目前全球最快的超級計算機的一百萬億倍，遠遠超過經典計算機。

這意味著中國科學家首次實現 「量子霸權」（quantum supremacy），另一個說法是量子優越性（quantum computational advantage），即在某個特定問題上的計算能力遠超現有最強的傳統計算機，而傳統計算機在有限時間內無法完成計算。

北京時間12月4日凌晨，該工作在《科學》雜誌在線發表，論文標題為 「用光子實現量子計算優越性」（Quantum computational advantage using photons）[1]。

「這是一個巨大的技術突破」，德國馬克斯·普朗克量子光學研究所理論部主任伊格納西奧·西拉克（Ignacio Cirac）表示，「遠超其他高斯玻色採樣實驗。

「我有點驚訝，因為這項實驗非常困難」，德克薩斯大學奧斯汀分校的計算機科學教授斯科特·亞倫森（Scott Aaronson）在郵件中告訴《知識分子》。

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光量子計算首次實現量子計算優越性

潘建偉將該光量子計算系統命名為 「九章」，以此紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》。

量子計算機可以解決一些超出傳統計算機計算能力的問題，「九章」 解決的 「高斯玻色採樣」 問題就是一種。

「高斯玻色採樣」 是一種複雜的採樣計算，其計算難度呈指數增長，很容易超出目前超級計算機的計算能力，適合量子計算機來探索解決。它是 「玻色採樣」 問題的一種，而玻色採樣問題是量子信息領域第一個在數學上被嚴格證明可以用來演示量子計算加速的算法。

在本研究中，潘建偉和同事們構建了76個光子的量子計算原型機 「九章」，實現了 「高斯玻色採樣」 任務的快速求解。具體來說，「九章」 在一分鐘時間裡完成了經典超級計算機一億年才能完成的任務。

2019年10月，美國物理學家 John Martinis 帶領的谷歌團隊實現 「量子霸權」，他們開發的 「懸鈴木」（sycamore）晶片採用超導量子計算，產生53個量子比特，宣稱能用200秒完成經典超級計算機大約一萬年才能完成的計算。[2]

作為高斯玻色採樣的共同提出者，亞倫森表示，儘管谷歌的團隊去年已經實現 「量子霸權」，但這個概念非常重要，需要多個團隊用多種技術重複去證實，因此他非常高興看到這次的成果。

與谷歌採用零下273攝氏度左右的超導線圈產生量子比特不同，潘建偉團隊的實驗用光子實現量子計算過程，大部分實驗過程在常溫下進行。他們將一束定製的雷射分成強度相等的13條路徑，聚焦在25個晶體上產生25個特殊狀態的量子光源，光源通過2米自由空間和20米光纖（其中5米纏繞在一個壓電陶瓷上），進入幹涉儀和彼此 「對話」，最後的輸出結果由100個超導納米線單光子探測器探測，最終有76個探測器探測到了光子。

「九章」實驗裝置示意圖

幹涉儀中發生的 「對話」 過程，讓光子波在同時同地完美重合，使光子表現出經典世界不存在的量子幹涉現象。

該研究的通訊作者之一、中國科學技術大學教授陸朝陽說，如果把這個系統比喻成彈珠機，光子就是其中的彈珠，這些珠子本身是有 「分身術」 的，而且兩個完全相同的珠子之間會有 「鬼魅般的」 相互作用，相遇的話一定會一起從同一個門跑出去。

本論文的第一作者均為90後，鍾翰森（左圖後排左5）為95年出生，王輝（右圖前排左二）是91年出生，陳明城（右圖後排左4）為90年，最小的是97年的鄧宇皓（左圖後排左1）。本圖由受訪者提供。

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一個突破，多少技術革新？

在雪梨大學教授史蒂夫·弗拉米亞（Steve Flammia）看來，這項實驗最大的亮點是通過技術改進達到的實驗規模（scale）。「看到這份論文的摘要時，我的第一個反應是這個實驗的規模是難以置信的」，他在郵件中告訴《知識分子》。「50個壓縮態進入100模式的幹涉儀？簡直不可思議！」

弗拉米亞在2005年夏天訪問過潘建偉在合肥的實驗室，當時他和陸朝陽都還是學生。他當時已經對陸朝陽表現出來的學術潛力印象深刻。「同學們都知道陸朝陽將會做出非常優秀的工作。」

此次實驗非一蹴而就。2017年，潘建偉、陸朝陽團隊構建了世界首臺超越早期經典計算機的單光子量子計算機，2019年則實現了輸入20個光子、探測14個光子的量子計算。「當時國際上基本上在做大概3到4個光子」，陸朝陽說，「我們2019年的這個工作已經讓國際非常震驚了。」

陸朝陽在量子光學實驗室，攝影: H.-T. Guo，2020年8月

一年前，亞倫森認為再突破很難，因為實驗難度極大 [3]。「看上去他們好像遇到了10-20個光子的門檻。」 他對《知識分子》說。

陸朝陽介紹，此次實驗突破這一門檻的關鍵，除了採用高速玻色採樣這一新模型，還有多項重要技術革新。

首先，實驗採用的量子光源是國際上唯一同時具備高效率、高全同性（指粒子具有完全相同的屬性）、極高亮度和大規模擴展能力的量子光源。

「（光源的）這些指標互相影響、此消彼長，要同時保證所有指標，就像是讓好多隻貓排排坐，要同時抓住它們。」 陸朝陽說。

其次，「高精度鎖相技術」 將光源在自由空間和光纖中的光程抖動控制在25納米之內。陸朝陽以奔跑的50匹馬做比喻，他表示這相當於它們跑過100公裡的距離，但偏離路線的誤差小於一根頭髮絲的直徑。

此外，實驗在幹涉技術和單光子探測技術上都做到了極高的精度。其中，中科院上海微系統所專門為實驗建造了一臺高性能單光子探測儀。

這項實驗的傳統計算驗證和速度比較在國家並行計算機工程技術研究中心研製的 「神威·太湖之光」 超級計算機上完成。

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未來屬於誰：

超導量子計算還是光量子計算？

超導量子計算機和光子量子計算機，哪個在計算能力上潛力更大？

「儘管這次的結果極好，我還是懷疑光子量子計算能否在遠期和其他量子計算技術競爭。」 弗拉米亞說。

通用量子計算機指的是可解決所有計算問題的計算機。「九章」 目前還不能通用於玻色採樣以外的其他計算，不具通用性。「遺憾的是，每個我們關心的計算問題都和這個玻色採樣問題沒有關係，」弗拉米亞說，「比如我們可能關心貨車如何選擇最有效率的路線送貨，或者關心怎麼樣預測一個特定分子的性質以用於化學或醫療。研究人員認為玻色採樣不能幫助解決這些重要問題。」

他認為，潘和陸的工作更有可能幫助建立量子通信網絡和量子網際網路。

而亞倫森認為，未來也許可以將九章改造成一個通用量子計算機，「谷歌採取的超導量子比特有通用的優勢（如果有足夠的量子比特且持續時間夠長就能做任何運算），而計算玻色採樣需要加入新的資源來獲得通用性……我相信潘的團隊已經充分意識到這一點並且正在努力。」

亞倫森說，與谷歌的實驗相比，「九章」 的優勢在於它產生的狀態空間（state space）大得多，這是因為光子的振幅（amplitude）更多。狀態空間指的是配置計算機系統的可能方式，量子計算機的狀態空間越大，經典計算機要完成相同的計算就越難。[4]

谷歌 「懸鈴木」 產生的狀態空間約為10的16次方，而此次 「九章」 產生的狀態空間約為10的30次方。

亞倫森還表示，由於光子比超導量子比特的相干時間（coherence times）更長，一些科學家相信這種系統最終可能會比超導量子比特更好達到規模計算的目標。

4

距離應用還有多遠？

量子計算由演示轉向實際應用，仍需科學家長時間的努力。即使是像谷歌 「懸鈴木」 這樣的通用量子計算機，也尚不能解決人們關心的實際問題。

弗拉米亞認為，距離通用量子計算的實現還需要很多年。「我預測，在某些特殊的現實世界問題上，未來五年內也許能有一些小進步，但我想這些問題吸引的主要還是科學家。」

「谷歌和潘建偉的實驗，或其他量子模擬實驗，提示了我們視線外隱藏著什麼，但是到達那裡還有很長的路要走」，席哈克說，「但這些實驗讓我們對前路充滿樂觀。」

「我們希望這個工作能夠激發更多的經典算法模擬方面的工作，也預計將來會有提升的空間」，陸朝陽說，「量子優越性實驗並不是一個一蹴而就的工作，而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。」

陸朝陽認為，就像人們對雷射的認識，從最初實驗室裡的工具到許多意想不到的領域中的應用，量子計算機也許會遵循相似的路徑。

「在五年內，控制數百到數萬個量子比特的技術將成為現實」，他說，「因此產生的量子模擬器和專用量子計算機或將成為物理學家、化學家和工程師在材料應用和藥物設計方面的重要工具。」

參考資料：

[1] H.-S. Zhong et al., Science 10.1126/science.abe8770 (2020).

[2]Arute, F., Arya, K., Babbush, R. et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature 574, 505–510 (2019).

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5

[3]https://www.scientificamerican.com/article/quantum-computer-made-from-photons-achieves-a-new-record/

[4]https://www.scientificamerican.com/article/quantum-computer-made-from-photons-achieves-a-new-record/