潘建偉師徒詳解：實現「量子霸權」，中國「九章」何以後來居上？

2020-12-04 文匯網

陸朝陽介紹「九章」最新進展（許琦敏/攝）

繼谷歌去年10月宣布「量子稱霸」之後，今天，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，接受了本報記者專訪。

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。

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    據《科學美國人》月刊網站12月3日報導，由中國科學技術大學潘建偉和陸朝陽率領的物理學家團隊利用量子計算原型機「九章」，實現了「高斯玻色取樣」任務的快速求解。算力遠超經典計算機去年，谷歌公司登上新聞頭條，其研發的「西克莫」量子處理器耗時約3分鐘完成了超級計算機需要1萬年才能完成的任務。而中科大團隊在其論文中估計，如果用全球排名靠前的超級計算機「神威·太湖之光」來執行「九章」完成的這項運算任務，需要耗時驚人的25億年。報導指出，這不過是科學家第二次演示「量子霸權」。
  • 超越美國谷歌，中國科學家取得裡程碑式突破，實現"量子霸權"
    據觀察者網12月4日報導，中國數名精英科學家們共同構建的量子計算原型機"九章"正式問世。這標誌著中國取得了裡程碑式突破，實現真正的"量子霸權"。歐美國家早已將關注的焦點轉移到了將量子技術的研發身上，該技術更是世界科技的最大挑戰之一。世界首臺光量子計算機就是研發"九章"的潘建偉團隊在2017年成功構建的，完全超越了早先的經典計算機。
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  • 潘建偉直播回應「九章」量子計算爭議
    在200秒時間內，76個光子穿過中國科學技術大學潘建偉團隊精心構築的光學網絡，完成了5000萬個樣本的高斯玻色採樣。而同樣一道數學題交給世界上最頂尖的超級計算機「富嶽」，需要6億年，差距超過了百萬億（10的14次方）。
  • 中科大「九章」歷史性突破,但實現真正的量子霸權還有多遠?
    今天，我國的量子科技領域就迎來了歷史性的突破，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究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，構建了76個光子100個模式的量子計算原型機「九章」，實現了具有實用前景的「高斯玻色取樣」任務的快速求解。相關成果登上了《Science》雜誌。