什麼是量子霸權？「九章」的優勢在哪？九問量子計算機

新京報快訊（記者 張璐）據中國科學技術大學官網12月4日消息，中國科學家構建了76個光子的量子計算原型機「九章」。根據現有理論，該量子計算系統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。

什麼是量子計算？「九章」有哪些優勢？新京報記者採訪了中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員袁嵐峰，對此進行科普。

Q1：什麼是量子計算機？

袁嵐峰：量子計算機是用量子力學原理製造的計算機，目前還處於很初步的階段。跟量子計算機相對，現有公眾使用的計算機被稱為經典計算機。

對於經典計算機來說，每個比特要麼代表0，要麼代表1。這些比特就是信息，對這些信息運算，實際上就是用電路構建一些邏輯門，完成「與」、「非」、「或」以及更複雜的操作。

而量子計算，則是利用量子天然具備的疊加性，施展並行計算的能力。每個量子比特，不僅可以表示0或1，還可以表示0和1分別乘以一個係數再疊加，隨著係數的不同，這個疊加形式的可能性會很多很多。

這種疊加性意味著，隨著量子比特數增加，量子計算機的計算能力會指數增加，經典計算機將望塵莫及。

「九章」量子計算原型機光路系統原理圖。圖/中國科學技術大學官網

Q2：與經典計算機相比，量子計算機更適合應用在哪些場景？

袁嵐峰：量子計算機並不是對所有的問題都超過經典計算機，而是只對某些特定的問題超過經典計算機，因為對這些特定的問題能設計出高效的量子算法。對於沒有量子算法的問題，例如最簡單的加減乘除，量子計算機就沒有任何優勢。

量子計算機可望在一些具有重大社會和經濟價值的問題上，如密碼破譯、大數據優化、材料設計、藥物分析等方面，相比經典計算機實現指數級別的加速。

例如一個非常重要的問題，因數分解，就是量子計算機有快速算法的例子。因數分解的困難性是現在最常用的密碼體系之一RSA的基礎，所以量子計算機能快速進行因數分解，就意味著能快速破解密碼。

Q3：什麼叫量子霸權？

袁嵐峰：隨著量子計算機技術的進步，在特定任務上，量子計算機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」。

量子霸權是一個科學術語，跟國際政治無關。它指的是量子計算機在某個問題上遠遠超過現有的計算機。由於「霸權」這個詞讓許多人不太舒服，現在更經常把它稱為「量子優越性」。

Q4：什麼叫高斯玻色取樣？

袁嵐峰：任何計算機都需要一定的物理體系來實現，例如經典計算機可以用電子管、電晶體或集成電路。同樣的，量子計算機也有不同的物理體系。「九章」使用的是光子。量子力學中的粒子分為費米子和玻色子，光子屬於玻色子。

玻色取樣是一種適合用來展示量子計算優越性的任務，大致可以理解為，一個光路有很多個出口，問每一個出口有多少光出去。

由於光的波動性，光子的不同路徑之間可以相互疊加，也可以相互抵消，使得玻色取樣的結果在數學上非常複雜。在面對這樣的難題時，玻色取樣裝置就有了用武之地，這是一種「光量子計算機」。

傳統的玻色取樣輸入的是一個個獨立的光子。高斯玻色取樣的意思是，「九章」輸入的不是有確定光子數的光波，而是一團團相互關聯的「量子光波」。它們是不同光子數的疊加態，叫作「壓縮光」。這樣可以提高實驗效率。

光量子幹涉實物圖：左下方為輸入光學部分，右下方為鎖相光路，上方共輸出100個光學模式，分別通過低損耗單模光纖與100超導單光子探測器連接。圖/中國科學技術大學官網

Q5：「九章」長什麼樣？運行時對環境有要求嗎？

袁嵐峰：在外形上，九章就是一些光路，一個實驗室裡的兩個格子就能放下。探測部分需要用到超導，因此需要4K的低溫（零下269.15攝氏度）。其他部分都是在常溫常壓下運行的，這是光量子計算機相對於超導、離子阱等其他技術路線的優勢。

Q6：「九章」相對於經典計算機有多大的優勢？

袁嵐峰：我國的神威·太湖之光超級計算機曾經是世界上最快的超級計算機，每秒鐘峰值運算12.5億億次。

九章計算的問題是一種叫作「哥本哈根式」（Hafnian）的問題。根據目前最優的經典算法，「九章」花200秒採集到的5000個樣本，如果用我國最快的「太湖之光」超級計算機，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。也就是說，九章比富嶽快一百萬億倍。

Q7：「九章」和2019年穀歌發布的「懸鈴木」有什麼區別？

袁嵐峰：2019年，谷歌第一個宣布實現了量子優越性。他們用的量子計算機叫作「懸鈴木」，處理的問題大致可以理解為：判斷一個量子隨機數發生器是不是真的隨機。

「懸鈴木」包含53個量子比特的晶片，花了200秒對一個量子線路取樣一百萬次，而利用當時世界排名第一的超級計算機Summit完成同樣的任務需要一萬年。

「九章」跟「懸鈴木」的區別，一是處理的問題不同，二是用來造量子計算機的物理體系不同。「九章」用的是光學，「懸鈴木」用的是超導。兩者都實現了量子優越性。

Q8：「九章」的研發難點在於什麼？

袁嵐峰：光波、水波等想要產生穩定的幹涉條紋，有一個重要條件就是兩束波的相位差恆定。量子的幹涉也類似，如果每一路的光相位總是抖動，彼此之間相位差就會不穩定，也就觀測不到穩定的採樣結果。

在這次實驗中，每路單模壓縮光進入幹涉網絡之前，要各自經過2米自由空間和20米光纖，所謂保持相位鎖定，也就是保證這個路徑的光程恆定。科學家們採取「缺啥補啥」的策略，讓同源的若干路雷射分別走壓縮態光所走的路程，並與一個標準參考雷射進行比較（通過幹涉的方法），實時監測每一路與標準參考光的相位差，並進行相應的調整。在精密微妙的操控下，2米自由空間+20米光纖光程抖動保持在25納米之內，這相當於100公裡的距離誤差小於一根頭髮絲。

在最終的採樣結果裡，該團隊成功構建了76個光子100個模式的高斯玻色採樣量子計算原型機。

100模式相位穩定幹涉儀：光量子幹涉裝置集成在20cm*20cm的超低膨脹穩定襯底玻璃上，用於實現50路單模壓縮態間的兩兩幹涉，並高精度地鎖定任意兩路光束間的相位。圖/中國科學技術大學官網

Q9：量子計算機離成熟、大規模使用還有多遠？未來可能在哪些方面給人們的生活帶來顛覆性改變？

袁嵐峰：對於量子計算機的研究，同行公認有三個指標性的發展階段。第一個階段是發展具備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。

此次「九章」的研製成功，就是第一個階段的勝利。在這之後，科學家還會致力於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）。最後，大幅度提高可操縱的量子比特的數目（百萬量級）和精度（容錯閾值＞99.9%），研製可編程的通用量子計算原型機。

我們重視量子計算，是因為它的潛力，而不是它的現狀。它確實有革命性的潛力，只是還需要艱苦的努力，絕不是一蹴而就的。

新京報記者 張璐

編輯 劉夢婕 校對 李立軍