漫畫 | 中國科學家研製出首個有潛在應用的量子計算原型機

火車剛發明的時候，連馬車的速度都趕不上。

飛機剛發明的時候，只能在天上堅持飛1分鐘。

量子計算機剛發明的時候，速度快不到哪兒去，計算過程也堅持不了幾分鐘，而且最關鍵的是，不少老百姓心裡總是覺得：

那麼，量子計算機到底有用嘛？今天，咱們就來說一款，速度快、穩定性高、有潛在應用的新型量子計算裝置：九章。

那麼，這種裝置具體有什麼用呢？別急別急，讓我先介紹它的原理「高斯玻色採樣」，然後再介紹它的潛在用途。

（一）什麼叫玻色採樣？

不管是量子計算機，還是普通的經典計算機，它們最基本的原理都是做數學計算。具體來說，你給它們一道題，然後稍微等上一會兒，它們就會給你一個計算結果。

讓我們來設想這麼一道題。假如我有一大堆小球，把它們一個個地扔進一種叫作「高爾頓板」的裝置，其中整整齊齊釘著幾十個釘子，下面還有許多出口。

那麼，請聽題：

如果你數學比較好的話，就會發現，這需要用一個叫作「二項分布」的統計學公式計算。

假如我繼續追問，如何計算「二項分布」的統計學公式，你又該怎麼辦呢？

你也許會想，這還不簡單，計算機不就是幹這個的嗎？只要把「二項分布」公式輸入經典計算機，稍微等一會兒，它就會扔給我們一個計算結果。

不過除了這種辦法以外，至少還有另外一種辦法。就是直接讓心靈手巧的人做一塊高爾頓板。

然後往裡面扔1萬次小球。數一數3號口小球的數量，然後就能算出小球掉在3號口的概率。

第一種辦法我們可以叫硬算，第二種辦法叫採樣。

當然，如果不是有特殊需要，絕大多數人都會選擇第一種辦法。因為它很方便嘛。

但是，如果你扔的不是小球，而是量子力學中的光子呢？情況就完全反轉了。這個時候，採樣的辦法就會比硬算的辦法方便很多。

由於光子在量子力學中被歸類為「玻色子」。所以，這樣的裝置就被量子計算專家稱為「玻色採樣」裝置。

說到這兒你可能不信，為啥光子被扔進去以後，問題會變得那麼複雜呢？

（二）玻色採樣為什麼那麼複雜？

這還不都是因為量子力學嘛！

量子力學賦予了光子很多匪夷所思的性質。

比方說，如果一個小球從3號出口跑出來，那麼它中間走過的路徑一定是確定的。

但光子不是這樣。不管光子從3號口還是4號口跑出來，它一定是走過了其中所有可能的路徑！

而且，這還沒有完。

如果小球經過兩條可能的路徑後，到達了3號出口，那麼我們就把兩條路徑對應的概率直接加起來就可以了。

但光子不是這樣。光子的不同路徑之間，不但可以相互疊加，也可以相互抵消，具體結果視情況而定，非常複雜。

而且，這還沒有完。

如果你每次不是放進去1個光子，而是同時放進去好多個光子。這些光子之間還會產生更複雜的量子統計效應。

這時，要想計算「從N個不同的出口同時跑出光子」的概率，我們剛才說的「二項分布」公式就不管用了，而是要用一種複雜的「積和式」公式來計算。

「積和式」的計算複雜度會隨著N的增大而呈指數增長。

假如N的數量很小，咱們用經典計算機就可以湊合著做計算。

但假如出口個數和光子數量稍微變大一點，那麼需要計算的「積和式」個數就會非常多，多到全世界的硬碟都裝不下。這時，要想用經典計算機來求解光子分布的概率，就只能像剛才的第二種算法一樣，進行採樣。

另外，對於單個「積和式」，比如N=50，即使是世界上速度最快的超級計算機，也要突突突算上約幾個小時，才能完成一次採樣。所以，用經典計算機來生成大量樣本的方法也是行不通的。

於是，在面對這樣的難題時，「玻色採樣」裝置就有了用武之地。由於它像計算機一樣，能夠在較高的精度上解決特定的數學問題，同時又應用了光子的量子力學特性，所以可以稱作是一種「光量子計算機」。

那麼，N > 50 的光量子計算機，物理學家能造出來嗎？

（三）九章：探測76個光子的

高斯玻色採樣機

雖然前面介紹的這種光量子計算機能解決特定的數學問題，但是這樣的數學問題並沒有明顯的應用價值。所以，能不能把它造出來，並不是我們這篇漫畫要關注的問題。

咱們要關注的是有潛在應用的光量子計算機，而這樣的光量子計算機的原型機已經有人造出來了。

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，成功對從前的「玻色採樣」裝置進行升級，研製出N = 76、具有潛在應用的量子計算原型機：「九章」。

2020年12月4日，《科學》雜誌以「First Release」形式發表了該項成果。

「九章」和之前說的玻色採樣機的主要區別，在於輸入的光子狀態。

玻色採樣機輸入的是一個個獨立的光子，而「九章」輸入的是一團團相互關聯的「量子光波」。

這種「量子光波」有一種神奇的特性。假如你把一團這樣的「量子光波」放進採樣機中，可能會跑出來2個光子，也可能會跑出來4個光子，也可能會跑出來6個光子……

但後面幾種情況發生的概率比較小，所以，這團「量子光波」總體上可以看作是由2個光子組成的。它有一個專門的名字，叫作「壓縮光」。

如果設置100個輸入口，從中選擇50個，分別輸入50團「壓縮光」，然後在100個出口處擺上探測器，一個高斯玻色採樣的量子計算原型機 「九章」就做成了。由於「壓縮光」的特殊性質，「九章」最多時可以探測76個光子的採樣結果。所以，它相當於一臺76個光子的量子計算原型機。

九章的研製體現了兩個重要的突破。

首先，它比經典計算機快很多倍，真正體現出了「量子計算優勢」。

具體來說，它計算的問題已經不是剛才說的「二項分布」或者「積和式」問題了，而是一種叫作「哥本哈根式」（Hafnian）問題[1]。

這個問題有多複雜呢？研究論文指出，通過計算「哥本哈根式」用於高通量的76光子採樣，用我們國家最快的太湖之光超級計算機，需要連續計算25億年。

而這一切，「九章」只需要200秒就全部完成了。

所以，「九章」體現出了真正的「量子計算優勢」。

說到這兒你可能會問，這玩意兒真的有用嗎？

（四）幫助生物學家篩選藥物分子

最近，一位加拿大計算機學家指出，使用能進行高斯玻色採樣的光量子計算機，也許可以幫助生物學家篩選藥物分子。

簡單來說，一種藥物要想起作用，它的分子就得像鑰匙搭配鎖一樣，跟目標生物分子穩定的結合在一起。

但是，要想搞清楚一種藥物會不會起作用並不容易。因為藥物分子和目標生物的受體分子都是由大團原子組成的三維結構。

兩團原子到底能不能配在一起，這是一個非常複雜的量子力學問題，現有的計算機加在一起也不可能算出來。所以，生物學家即使設計出來一大堆藥物分子，他們也不可能用經典計算機判斷有沒有用。

但如果有了光量子計算機就不同了。

計算機學家會把兩大團原子的匹配問題，轉化成數學中的一種「圖論」問題。

如果把這種「圖論」問題寫成公式，正是我們在上一節提到的「哥本哈根式」。耶，這正是光量子計算機的拿手本領。

現在你相信，光量子計算機有用了吧？

於是，中國物理學家研製出的「九章」，不但體現了真正的「量子計算優勢」，而且還是一臺具有潛在應用價值的量子計算裝置。

其實，老百姓心裡嘀咕量子計算到底有沒有用，是一件很正常的事。因為量子計算就像任何一種技術一樣，需要經歷幾個不同的階段才能發展成熟。在初級階段，量子計算追求的是原理上的可行，實驗上的實現，和計算效率的超越。

這個階段的量子計算，可能就像1814年的火車，和1903年的飛機一樣，科學意義大於實用價值。

不管量子計算機現在有多麼初級，總有一天，它會像曾經的火車和飛機一樣，一步一步向我們走來。

註：

在拉丁文中，丹麥首都哥本哈根叫作Hafnia。所以，本漫畫把Hafnian譯作哥本哈根式。本實驗做算力基準測試時，實際使用的是哥本哈根式的推廣，叫作多倫多式（Torontonian）。

參考文獻：

1. H.-S. Zhong et al., Science,10.1126/science.abe8770 (2020).
2. Gard B T, Motes K R, Olson J P, et al. An introduction to boson-sampling[M]//From atomic to mesoscale: The role of quantum coherence in systems of various complexities. 2015: 167-192.
3. Wang H, He Y, Li Y H, et al. High-efficiency multiphoton boson sampling[J]. Nature Photonics, 2017, 11(6): 361-365.
4. Hamilton C S, Kruse R, Sansoni L, et al. Gaussian boson sampling[J]. Physical review letters, 2017, 119(17): 170501.
5. Banchi L, Fingerhuth M, Babej T, et al. Molecular docking with gaussian boson sampling[J]. Science Advances, 2020, 6(23): eaax1950.

End

作者：Sheldon

繪製：Mirror、濛琪

美指：牛貓

排版：偉俊

鳴謝：陸朝陽，陳明城，王輝

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