潘建偉團隊實現「量子計算優越性」！原型機「九章」誕生

76 個光子、不依賴於樣本數量！剛剛，潘建偉團隊實現 「量子計算優越性」 裡程碑。

北京時間 12 月 4 日，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊，在 Science 刊發研究成果《使用光子的量子計算優勢》（Quantum computational advantage using photons），該研究也得到了 Nature、NewScientist、Physics World 等媒體的報導。

陸朝陽告訴 DeepTech：「該研究的大主題已經研究 20 年左右，具體從 2013 年開始。本次研究共有二十位左右研究人員參與，四位第一作者都是 90後。而谷歌的同類研究則有一百位左右研究人員參與。」

圖 | 論文今天凌晨發表在 Science

該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，構建出 76 個光子 100 個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機 「九章」，實現了 「高斯玻色取樣」 任務的快速求解，而 「九章」的命名旨在紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》。

「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，比谷歌超導比特量子計算原型機 「懸鈴木」 快一百億倍。

舉例來說，在室溫下運行並計算玻色採樣問題，同樣處理 100 億個樣本，「九章」 需要 10 小時，超級計算機需要 1200 億年，「懸鈴木」 則需 20 天。

陸朝陽表示：「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。」 在輸出量子態空間規模上，「九章」 可達到 1030，不僅超出目前全世界的存儲容量 1022，也超出 「懸鈴木」 的輸出量子態空間規模 1016。

圖 | 「九章」 和 「懸鈴木」 的對比

76 個光子、100 模式幹涉線路實現玻色取樣

玻色子採樣，是證明量子計算優勢的有力方式。其最初由計算機科學家 Scott Aaronson 和 Alex Arkhipov 於 2011 年設計，在證明量子計算優勢時，它需要計算玻色子的概率分布情況和粒子的量子波相干。

但這類運算比世界七大數學難題之一的「NP 完全問題」還難，因為解法數量會隨著變量增加而呈指數增長。此前，Aaronson 和 Arkhipov 已經證明，如果有數十個玻色子，就不可能找到冗長的經典計算捷徑。

而在本次研究中，該團隊通過自主研製高效率、高全同性、極高亮度和大規模擴展能力的量子光源，從而實現了滿足相位穩定、全連通隨機矩陣、波包重合度優於 99.5%、通過率優於 98% 的 100 模式幹涉線路，並實現相對光程 10-9 以內的鎖相精度、以及高效率 100 通道超導納米線單光子探測器，最終構建出 「九章」。

圖 | 光量子幹涉示意圖

「九章」研究中的重要步驟是玻色取樣，這是一個從高度糾纏的多光子量子態定義的概率分布取樣的過程，目的是通過少量關鍵樣本，來獲取整體分布的關鍵信息。

「九章」 中有 100 個光纖通道，最多可實現 76 個光子同時進入通道，這些光子由特製的量子光源發出，因此 76 個光子完全一樣。在光纖通道末端，則有高性能光子探測器，來準確捕獲每個落下的光子。這一過程必須 「萬無一失」，因為光子在 50 路 2 米自由空間、與 20 米光纖光程中的抖動，必須控制在 25 納米之內。

圖 | 「九章」 量子計算原型機光路系統原理圖

如上圖所示，左上方雷射系統可產生高峰值功率飛秒脈衝，而左方 25 個光源通過參量下轉換過程，可產生 50 路單模壓縮態並輸入到右方 100 模式光量子幹涉網絡。上述過程完成後，該團隊利用 100 個高效率超導單光子探測器，來對幹涉儀輸出光量子態進行探測。

圖 | 100 模式相位穩定幹涉儀

如上圖，光量子幹涉裝置集成在 20 cm*20 cm 的超低膨脹穩定襯底玻璃後，可實現 50 路單模壓縮態間的兩兩幹涉，並能高精度地鎖定任意兩路光束間的相位。

下圖是光量子幹涉實物圖，圖片左下方是輸入光學部分，右下方是鎖相光路，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 | 光量子幹涉實物圖

Science 審稿人評價該工作是 「一個最先進的實驗」 以及 「一個重大成就」（a major achievement）。但即便如此，量子優越性實驗並非一日之功，更快的經典算法和不斷提升的量子計算硬體之間仍存在競爭，但最終量子並行性會產生經典計算機無法企及的算力。

為中國在量子計算牢固確立第一方陣地位奠定基礎

此外，基於 「九章」 的高斯玻色取樣算法，在機器學習、量子化學等領域具有潛在應用。具體來說，量子計算機的超快並行計算能力，有望通過特定算法在密碼破譯、大數據優化、材料設計、藥物分析等領域，實現比經典計算機呈指數級別的加速。

就本次研究，潘建偉稱：「我們已經證明，我們可以使用光子來展示量子計算能力，這遠遠超出了傳統的計算機」。他還介紹稱，最近美國公布了量子計算領域的最新計劃，歐盟、英國、日本等國家也早有相應規劃，此次 「九章」 的成功研製，為中國在國際量子計算研究中牢固確立第一方陣地位奠定了基礎。

他認為，「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』。」 不過，對於本次成果的優越性，潘建偉說：「這是一個動態過程，所有領先都只是暫時的。」

在光量子信息處理方面，潘建偉團隊已做出一定成果。2017 年，該團隊構建出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，他們研製出確定性偏振、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，效果逼近 「量子計算優越性」。

而本次成果，則確立了中國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，並將為解決具有重大實用價值問題的規模化量子模擬機奠定基礎。

就該領域研究來說，有三個國際公認的指標性發展階段：

第一階段，發展出具備 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，並實現 「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，從而解決超級計算機無法勝任的難題，如量子化學、新材料設計、優化算法等。

第三階段，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，從而實現容錯量子邏輯門，研製出可編程的通用量子計算原型機。

加拿大多倫多量子計算初創公司 Xanadu 執行長克裡斯蒂安・韋德布魯克（Christian Weedbrook）說：「這是首次利用光或光子技術展示量子優勢。」 同時，對該成果他也表達了一些期望：如果團隊能夠構建足夠高效的可編程晶片，那麼可以解決幾個重要的計算問題，如預測蛋白質如何彼此對接以及分子如何振動。

對本次成果，倫敦帝國理工學院的物理學家伊恩・沃爾姆斯利（Ian Walmsley）說，這是一個重要的裡程碑。」

昆士蘭大學教授 Tim Ralph 則評價稱：「該設備的規模是非凡的：100 模式幹涉儀、25 個壓縮器提供輸入的量子態、使用 100 個單光子探測器進行探測，並且實現了同時保持高效率，穩定性和量子不可分辨性 —— 這都是展示量子計算優越性所必須的。」