算力突破迎來新希望 中國科學家實現「量子計算優越性」裡程碑

大數據、人工智慧、區塊鏈等前沿科技交相碰撞出無窮的未來密碼，讓「算力」二字從沒有像今天這樣自帶高光，備受世界矚目。今天，我國量子計算研究成功攀登至第一個裡程碑：量子計算優越性（國外也稱之為「量子霸權」）——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。相關論文於12月4日以「First Release」形式在線發表於國際學術期刊Science。根據現有理論，中國「九章」處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍，等效地其速度比去年穀歌發布的53個超導比特量子計算原型機「懸鈴木」快一百億倍。

說來話長的算力之爭

在氣象工程師白冰被追捕的路上，他認識了同樣被追捕的宋誠。白冰神秘地拿出一隻箱子， 「這是一臺超弦計算機，是我從氣象模擬中心帶出來的」。這個有趣的情節，來自科幻作家劉慈欣的中短篇小說《鏡子》。故事裡的計算機擁有幾乎無限的運算和存貯能力，只要給定每個粒子的初始條件，模擬複雜如氣象系統都是小菜一碟，就連整個宇宙的運行也會像"鏡子"一樣，清晰浮現，準確無誤。

用計算機模擬現實物理系統，這不僅限於科幻小說中，也是嚴肅的科學討論。超級計算機，曾經是科學界追逐無窮算力的技術法寶。但是，隨著人們對微觀世界的深入理解，尤其是隨著量子力學的發展，更多人意識到，實際的量子過程太過複雜，用經典計算模擬量子過程，需要的時間可能會呈指數增長，有效計算是不可能的。1980年代，科學家費曼提出必須放棄經典計算的老套路，用量子材料造一臺新式機器，來自然地解決這些問題。這就是量子計算機！

許多量子科學家認為，量子計算機在特定任務上的計算能力將會遠超任何一臺經典計算機。2012年，美國物理學家John Preskill將其描述為「量子計算優越性」或稱「量子霸權」（quantum supremacy）。科學家們預計，當可以精確操縱的量子比特超過一定數目時，量子計算優越性就可能實現。經典計算和量子計算的區別在哪裡呢？中國科技大學物理博士林梅說，如果有一個特定的問題，量子計算需要一個小時，經典計算需要上億年。 「從科學家對量子計算優越性的觀點來看，有兩個關鍵點，一是操縱的量子比特的數量，二是操縱的量子比特的精準度。只有當兩個條件都達到的時候，才能實現量子計算的優越性。」

去年10月，谷歌在量子計算方面經十多年布局終於有了裡程碑式的表現——國際權威學術雜誌Nature以「Quantum supremacy using a programmable superconducting processor」為題，刊發了谷歌的科研工作，谷歌據此宣布實現了量子計算優越性。根據谷歌的論文，該團隊選取的用來展示量子計算優越性的特定任務是一種叫做「隨機線路採樣（Random Circuit Sampling）」的任務。谷歌團隊在一個包含53個可用量子比特的可編程超導量子處理器上運行「隨機線路採樣」，用約200秒的時間進行了100萬次採樣，同時他們還利用當時世界排名第一的超級計算機Summit進行了一個比較。他們預計，同樣的任務，Summit需要算上一萬年。「200秒」PK「一萬年」，該團隊宣稱這意味著量子計算優越性成為現實。

不過，谷歌的量子優越性很快引發了學術界的爭議。因為量子計算和經典計算的競爭是一個長期的動態過程，雖然人們操縱量子比特的數量和精準度在不斷提高，但是經典計算的算法和硬體也在不斷優化，超算工程的潛力更是不可小覷。例如，IBM宣稱實現53比特、20深度的量子隨機線路採樣，經典模擬完全可以只用兩天多時間，甚至還可以更好。

量子計算和經典計算的算力之爭，可能是一個長期battle的過程，未來一段時間，兩者可能會卯足了勁兒的精彩打擂。

量子計算「三部曲」

量子計算機在原理上具有超快的並行計算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會和經濟價值的問題方面（如密碼破譯、大數據優化、材料設計、藥物分析等）相比經典計算機實現指數級別的加速。當前，研製量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰之一，成為歐美各發達國家角逐的焦點。對於量子計算機的研究，本領域的國際同行公認有三個指標性的發展階段：

第一階段：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法解決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：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：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%），大幅度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。

中國科技大學潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處於國際領先水平。2017年，該團隊構建了世界首臺超越早期經典計算機（ENIAC）的光量子計算原型機。2019年，團隊進一步研製了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，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個量子比特的希爾伯特態空間，逼近了「量子計算優越性」。

「玻色採樣」爭高下

其實，除了此前谷歌量子霸權展示的「隨機線路採樣（Random Circuit Sampling）」任務之外，量子計算還有一種秀肌肉的「精英任務」，即玻色採樣。這項任務被科學家寄予厚望，是因為對經典算法來說，是極大的挑戰，而量子計算機在中小規模下就有可能打敗超級計算機。

自「玻色採樣」任務提出，世界上陸續有很多個小組從實驗上挑戰和驗證玻色採樣。與世界一流實驗同步，2017年中國科大潘建偉、陸朝陽團隊同樣把目光聚焦到量子點光源，以此為「破題口」，尋找量子計算的「玻色採樣」之道。他們用的一種共振激發的量子點光源，產生確定性的高品質單光子。同時，自主設計研發了高效率的線性光學網絡。在這種裝備武裝下，實驗上首次實現5光子的玻色採樣。採樣率是之前所有實驗的至少24000倍，相比於早期的經典計算機，計算能力具有10-100倍的提升。

不過，隨著研究進一步推進，實驗中的低效率始終成為量子計算可擴展的攔路虎。那麼短期內，證明量子計算優越性還有希望嗎？最終，中國科大潘建偉、陸朝陽團隊採用壓縮態光源，顯著提高了效率。在最終的採樣結果裡，成功構建了76個光子100個模式的高斯玻色採樣量子計算原型機。科學家給它起了個好聽的國風名字「九章」。

得益於團隊此前在玻色採樣方面的積累，「九章」技術在各個指標上都具有顯著的優勢。光源方面，擁有國際上唯一同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規模擴展能力的量子光源；具有最大規模（100×100）的幹涉技術，還能同時做到全連通、隨機矩陣、相位穩定、波包重合好（>99.5%）、通過率高（>98%）。這其中，中科院上海微系統所研製的高性能超導單光子探測器也扮演了重要角色。

「九章」裡程碑

潘建偉院士團隊說，之所以將這臺新量子計算機命名為「九章」，是為了紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》。《九章算術》是中國古代張蒼、耿壽昌所撰寫的一部數學專著，它的出現標誌中國古代數學形成了完整的體系，是一部具有裡程碑意義的歷史著作。而這臺叫做「九章」的玻色採樣新機器，同樣具有重要的裡程碑意義。

根據目前最優的經典算法，「九章」花200秒採集到的5000個「玻色樣本」：如果用我國的「太湖之光」，需要運行25億年；如果用目前世界排名第一的超級計算機「富嶽」，也需要6億年。這樣的優勢十分明顯。再等效地對比去年穀歌發布的53比特量子計算原型機「懸鈴木」：對於「懸鈴木」來說，200秒完成的任務，IBM超算Summit需要2天，考慮Summit和富嶽的算力差距，「九章」等效地比谷歌的「懸鈴木」快100億倍。

《科學》雜誌審稿人評價該工作是「一個最先進的實驗」（a state-of-the-art experiment），「一個重大成就」（a major achievement）。研究人員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。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。

值得一提的是，「九章」的研製成功，不僅是實現了「量子計算優越性」的裡程碑，也為第二步——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提供了潛在的前景。「因為九章量子計算原型機所完成的高斯玻色取樣算法在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用。」林梅說，科學家設想對於經典算法模擬起來異常困難的問題，是為了果真能開發出量子計算機的，以此作為一個特殊用途的光子平臺，讓分子振動、機器學習這些複雜過程高速運行一下，就可以很好地研究這些現實世界中很重要的應用。「除了秀肌肉以外，解決現實問題，其實也是科學家們研發量子計算機的初衷。」

新民晚報記者 馬亞寧