原標題：里程碑式突破！中國量子計算原型機“九章”問世，實現(xiàn)“量子霸權”

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，與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并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(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。

據(jù)現(xiàn)有理論，該量子計算系統(tǒng)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，即“九章”一分鐘完成的任務，超級計算機需要一億年。

其速度也等效地比去年谷歌發(fā)布的53個超導比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。

這一成果使得我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑：量子計算優(yōu)越性（國外稱“量子霸權”）。

相關論文于12月4日在線發(fā)表在國際學術期刊《科學》上。

“九章”量子計算原型機光路系統(tǒng)原理圖

實現(xiàn)“量子霸權”的兩種路徑

由于量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力，在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面相比經(jīng)典計算機可實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。當前，研制量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一，是歐美發(fā)達國家角逐的焦點。

這當中，量子計算研究的第一個階段性目標，是實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”（亦譯為“量子霸權”），即研制出量子計算原型機在特定任務的求解方面超越經(jīng)典的超級計算機。

上面提到的量子計算“特定任務”，是指經(jīng)過精心設計，非常適合于量子計算設備發(fā)揮其計算潛力的問題。這類問題包括隨機量子線路采樣、IQP線路、高斯玻色取樣。而谷歌量子AI團隊所針對的問題是隨機量子線路采樣。

所謂“玻色取樣”問題，我們可以理解成一個量子世界的高爾頓板。

高爾頓板問題是由英國生物統(tǒng)計學家高爾頓提出來的，這個問題可以理解為小球從最上方被扔下，每經(jīng)過一個釘板，都有一半的可能從左邊走，一半的可能從右邊走，當有很多個小球從上往下隨機掉落時，落在下面的格子里的小球數(shù)量分布上會呈現(xiàn)一定的統(tǒng)計規(guī)律，這個模型可以用來直觀地認識中心極限定理。

圖為高爾頓板

如果將“高爾頓釘板”發(fā)展出一個量子版本，即，由全同光子來代替小球，用分束器（當一束光通過分束器時會被分成兩束強度較低的光，一束透射，另一束反射）來代替釘子，則這個游戲就變成“玻色取樣”的量子模擬。一般來講，“玻色取樣”是指，在n個全同玻色子經(jīng)過一個干涉儀后，對n個玻色子的整個輸出態(tài)空間進行采樣的問題。

計算機科學家S.Aaronson和A.Arkhipov于2013年提出一種快速計算矩陣的常值方法，主要原理是對經(jīng)過線性器件處理的玻色子的概率分布進行抽樣分析，從而可以很快的求出一個n x n維矩陣常值的方法。自然界中的粒子分為玻色子和費米子，而光子屬于玻色子，這樣就可以運用光子實現(xiàn)玻色取樣實驗。

從計算復雜度的角度來看，隨著光子數(shù)的增加求解步數(shù)呈指數(shù)上漲。對于這樣一個經(jīng)典計算異常困難的問題，在中小規(guī)模下就可以打敗超級計算機。因此，“玻色取樣”這個問題被量子計算領域的科學家盯上了，準備拿它小試牛刀，挑戰(zhàn)經(jīng)典計算機。

光量子干涉示意圖

同樣，為什么隨機量子線路經(jīng)典計算機很難模擬？舉個例子來說，比如一個50比特的隨機量子線路采樣，最終輸出的量子態(tài)的態(tài)空間的維度是250，如果使用經(jīng)典計算機模擬，首先要存儲如此高維度的量子態(tài)是極其困難的，其次，在如此高維的計算空間上，模擬每一層的量子計算操作，直至輸出最終的計算結(jié)果，更是難上加難！

而利用超導量子比特實現(xiàn)隨機線路取樣和利用光子實現(xiàn)玻色取樣，是目前國際學術界公認的演示量子計算優(yōu)越性的兩大途徑。在第二種路線上，中科大團隊一直保持國際領先。2019年，他們實現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算，輸出狀態(tài)空間維數(shù)高達三百七十萬億，其復雜度相當于48個量子比特，逼近了“量子計算優(yōu)越性”。

此次，潘建偉團隊通過自主研制同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴展能力的量子光源，同時滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機矩陣、波包重合度優(yōu)于99.5%、通過率優(yōu)于98%的100模式干涉線路，相對光程10的負9次方以內(nèi)的鎖相精度，高效率100通道超導納米線單光子探測器，成功構建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”，意為紀念中國古代最早的數(shù)學專著《九章算術》。

光量子干涉實物圖

“我們實驗中要用到的一些關鍵器件，國外一直對我們進行禁運，但是我們靠自己、靠國內(nèi)協(xié)作單位，做出了世界上最好的量子光源。畢竟，科學是為服務全人類的?！迸私▊ジ嬖V記者，完成這一實驗，需要更多更好的光量子，正是擁有了世界最好的量子光源，這次實驗輸出量子態(tài)空間規(guī)模達到了10的30次方。

根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”對于處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級計算機“富岳”快一百萬億倍，等效地比谷歌去年發(fā)布的53比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。同時，通過高斯玻色取樣證明的量子計算優(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量，克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。

100模式相位穩(wěn)定干涉儀

這個成果牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，

為未來實現(xiàn)可解決具有重大實用價值問題的規(guī)?；孔幽M機奠定了技術基礎。此外，基于“九章”量子計算原型機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，將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。

量子計算需經(jīng)歷“三步走”

正是由于量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面，如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設計、藥物分析等，相比經(jīng)典計算機實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。

事實上，量子計算機的研制是一個極具挑戰(zhàn)并且周期可能較長的工作。為了推動量子計算機的研制，我們必須把其分成一個個的小目標，不斷逐次突破。其中的第一個小目標就是“量子優(yōu)越性”(Quantum Supremacy)，指的是量子計算機在某個特定問題上的計算能力遠超過性能最好的超算，證明量子計算機的優(yōu)越性。因此，“量子優(yōu)越性”被認為是量子計算發(fā)展道路上的一個重要里程碑。

對于量子計算機的研究，國際同行公認有三個指標性的發(fā)展階段：

第一階段發(fā)展具備50-100個童子比特的高精度專用量子計算機，

對于一些超級計算機無法解決的高復雜度特定問題實現(xiàn)高效求解，實現(xiàn)計算科學中“量子計算優(yōu)越性”的里程碑。

第二階段通過對規(guī)?；囿w量子體系的精確制備、操控與探測，研制可相干操縱數(shù)百個量子比特的量子模擬機，

用于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(yōu)化算法等。

第三階段則是通過積累在專用量子計算與模擬機的研制過程中發(fā)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（大于99.9%),

大幅度提高可集成的量子比特數(shù)目至百萬量級，實現(xiàn)容錯量子邏輯門，研制可編程的通用量子計算原型機。

讓夢想量子計算走進現(xiàn)實

2019年10月23日，權威雜志《自然》刊出了谷歌量子AI團隊的最新科研工作，在持續(xù)重金投入量子計算13年后，成功地用實驗證明“量子優(yōu)越性”。即在特定任務上，量子計算機可以大大超越經(jīng)典計算機的計算能力了。

論文報道了谷歌團隊基于一個包含53個可用量子比特的可編程超導量子處理器，運行隨機量子線路進行采樣，耗時約200秒可進行100萬次采樣，并且估計如果使用當時最強超算Summit來計算得到同樣的結(jié)果，需耗費約1萬年。據(jù)此，谷歌宣稱實現(xiàn)了“量子霸權”。

實際上，“量子優(yōu)越性”代表了兩個方面的競爭，一方面量子芯片的比特數(shù)和性能不斷擴張，在某些問題上展現(xiàn)出極強的計算能力；另一方面，經(jīng)典算法和模擬的工程化實現(xiàn)也可以不斷優(yōu)化，提升經(jīng)典算法的效率和計算能力。所以，如果能夠提升經(jīng)典模擬的能力，那么谷歌的量子設備有可能就無法打敗最強超算，從而“稱霸”失敗。

對于谷歌的“稱霸”，IBM是第一個跳出來表示“不服”的。IBM指出谷歌對隨機量子線路的經(jīng)典模擬優(yōu)化得并不好，如果采用內(nèi)存和硬盤混合存儲方案，模擬53比特、20深度的量子隨機線路采樣，僅需2.5天。IBM還宣稱這只是他們保守的估計。

對此，加拿大卡爾加里大學教授、量子科學和技術研究所所長Barry Sanders 認為，去年，谷歌取得了一項巨大的成果，即量子計算優(yōu)越性，但這是有爭議的。谷歌的結(jié)果是，他們擁有一臺量子計算機，其性能比其他任何經(jīng)典計算機都要好。然后，IBM對此提出相反的論點：他們并未完全實現(xiàn)。質(zhì)疑是否真正的達到了量子計算優(yōu)越性。

面對“九章”所證明的“量子計算優(yōu)越性”，Barry Sanders則毫不吝嗇地稱贊：“我認為這是量子計算領域最重要的成果之一。這個實驗不存在爭論，毫無疑問，該實驗取得的結(jié)果遠遠超出了傳統(tǒng)機器的模擬能力，實驗取得的結(jié)果遠遠超出了傳統(tǒng)機器的模擬能力。這個實驗技術挑戰(zhàn)非常巨大。為了獲得此結(jié)果，他們必須解決許多非常困難的技術問題。僅僅在技術層面上，他們所取得的成就也令人印象深刻。這是人們夢寐以求的實驗，他們做成了，讓夢想走進現(xiàn)實?！?/p>

畢竟，經(jīng)典算法的發(fā)展以及超算上的工程化實現(xiàn)，還有提升空間?！傲孔觾?yōu)越性”本身也是經(jīng)典計算和量子計算博弈和演進的過程。谷歌宣稱的“量子優(yōu)越性”，目的僅僅是為了在實驗上證明量子計算機確實有超越目前最強超算的能力，這并不意味著已經(jīng)實現(xiàn)了實用化的量子計算機?！傲孔觾?yōu)越性”對于量子計算的發(fā)展，僅僅是一個開始。

對此，潘建偉向記者表示，量子優(yōu)越性實驗并不是一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭，最終量子并行性會產(chǎn)生經(jīng)典計算機無法企及的算力。

延伸閱讀

國外同行盛贊中國量子科技成就

科技日報記者吳長鋒

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國際學術期刊《科學》上在線發(fā)表了論文，他們構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。據(jù)現(xiàn)有理論，該量子計算系統(tǒng)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。其速度也等效地比去年谷歌發(fā)布的53個超導比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。

這一成果使得我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑：量子計算優(yōu)越性（國外稱“量子霸權”）。多位國外相關領域的教授，包括多位沃爾夫獎獲得者，美國科學院院士等資深專家，紛紛發(fā)表評論，盛贊中國科學家所取得的這一重大成就。

德國馬普所所長、沃爾夫獎、富蘭克林獎章得主Ignacio Cirac評論說：“總體來說，這是量子科技領域的一個重大突破，朝著研制相比經(jīng)典計算機具有量子優(yōu)勢的量子設備邁出了一大步。潘教授的團隊在世界上獨一無二的，他們產(chǎn)生了包括這個實驗在內(nèi)的很多重大成果?！?/p>

奧地利科學院院長、美國科學院院士、沃爾夫獎得主Anton Zeilinger認為，這項工作成果很重要，因為潘建偉和他的同事證明，基于光子（光的粒子）的量子計算機也可能實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”。

麻省理工學院教授、美國青年科學家總統(tǒng)獎、斯隆獎得主Dirk Englund 表示，這是一個劃時代的成果，是一個了不起的成就。這是開發(fā)這些中型量子計算機的里程碑。

維也納大學教授、美國物理學會會士Philip Walther評論道：“他們在實驗中取得了目前最強經(jīng)典計算機萬億年才能給出的計算結(jié)果，為量子計算機的超強能力給出了強有力的證明?！?/p>

加拿大卡爾加里大學教授、量子科學和技術研究所所長Barry Sanders評論說：“我認為這是一項杰出的工作，改變了當前的格局。我們一直努力證明量子信息處理可以戰(zhàn)勝經(jīng)典的信息處理。這個實驗使經(jīng)典計算機望塵莫及?！?/p>

昆士蘭大學教授Tim Ralph評論說：“我相信潘教授和陸教授團隊的論文是一個重大突破。這是一個真正的‘英雄’實驗，將實驗各個方面的技術推進到遠遠超過以前的水平?！?/p>

美國科學院院士、沃爾夫獎、狄拉克獎章得主Peter Zoller表示，利用量子器件來解決日益復雜的問題并體現(xiàn)量子優(yōu)勢是量子科學前沿中的最重要問題之一。陸朝陽、潘建偉和同事們基于光子進行的高斯玻色子采樣實驗，無論是在量子系統(tǒng)的大小和擴展性方面，還是在實際應用的前景方面，都把研究水平提升到了一個新的高度。