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

12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉,、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊,，與中科院上海微系統(tǒng)所,、國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機(jī)“九章”,，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)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(jī)快一百萬億倍,，即“九章”一分鐘完成的任務(wù),，超級計算機(jī)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(dǎo)比特量子計算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍,。

這一成果使得我國成功達(dá)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(quán)”）,。

相關(guān)論文于12月4日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

“九章”量子計算原型機(jī)光路系統(tǒng)原理圖

實現(xiàn)“量子霸權(quán)”的兩種路徑

由于量子計算機(jī)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(jì)價值的問題方面相比經(jīng)典計算機(jī)可實現(xiàn)指數(shù)級別的加速,。當(dāng)前，研制量子計算機(jī)已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一,，是歐美發(fā)達(dá)國家角逐的焦點,。

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

上面提到的量子計算“特定任務(wù)”,，是指經(jīng)過精心設(shè)計,，非常適合于量子計算設(shè)備發(fā)揮其計算潛力的問題。這類問題包括隨機(jī)量子線路采樣,、IQP線路,、高斯玻色取樣。而谷歌量子AI團(tuán)隊所針對的問題是隨機(jī)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(xué)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(dāng)有很多個小球從上往下隨機(jī)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(rèn)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(dāng)一束光通過分束器時會被分成兩束強(qiáng)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(jìn)行采樣的問題,。

計算機(jī)科學(xué)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(jìn)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(fèi)米子,，而光子屬于玻色子，這樣就可以運(yùn)用光子實現(xiàn)玻色取樣實驗,。

從計算復(fù)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(jī),。因此，“玻色取樣”這個問題被量子計算領(lǐng)域的科學(xué)家盯上了,，準(zhǔn)備拿它小試牛刀,，挑戰(zhàn)經(jīng)典計算機(jī)。

光量子干涉示意圖

同樣,，為什么隨機(jī)量子線路經(jīng)典計算機(jī)很難模擬,？舉個例子來說，比如一個50比特的隨機(jī)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(jī)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(dǎo)量子比特實現(xiàn)隨機(jī)線路取樣和利用光子實現(xiàn)玻色取樣,，是目前國際學(xué)術(shù)界公認(rèn)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(tuán)隊一直保持國際領(lǐng)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(dá)三百七十萬億，其復(fù)雜度相當(dāng)于48個量子比特,，逼近了“量子計算優(yōu)越性”,。

此次，潘建偉團(tuán)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(kuò)展能力的量子光源，同時滿足相位穩(wěn)定,、全連通隨機(jī)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(fù)9次方以內(nèi)的鎖相精度,，高效率100通道超導(dǎo)納米線單光子探測器，成功構(gòu)建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機(jī)“九章”,，意為紀(jì)念中國古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》,。

光量子干涉實物圖

“我們實驗中要用到的一些關(guān)鍵器件，國外一直對我們進(jìn)行禁運(yùn),，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(xué)是為服務(wù)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(dá)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(jī)“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(jī)“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(jī)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(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ),。此外，基于“九章”量子計算原型機(jī)的高斯玻色取樣算法在圖論,、機(jī)器學(xué)習(xí),、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)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(jī)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(jì)價值的問題方面，如密碼破譯,、大數(shù)據(jù)優(yōu)化,、材料設(shè)計,、藥物分析等,，相比經(jīng)典計算機(jī)實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。

事實上,，量子計算機(jī)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(jī)的研制，我們必須把其分成一個個的小目標(biāo),，不斷逐次突破,。其中的第一個小目標(biāo)就是“量子優(yōu)越性”(Quantum Supremacy)，指的是量子計算機(jī)在某個特定問題上的計算能力遠(yuǎn)超過性能最好的超算,，證明量子計算機(jī)的優(yōu)越性,。因此，“量子優(yōu)越性”被認(rèn)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(jī)的研究,，國際同行公認(rèn)有三個指標(biāo)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(jī)，

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

第二階段通過對規(guī)模化多體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(jī)，

用于解決若干超級計算機(jī)無法勝任的具有重大實用價值的問題,，如量子化學(xué),、新材料設(shè)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(jī)的研制過程中發(fā)展起來的各種技術(shù),，提高量子比特的操縱精度使之達(dá)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(jī),。

讓夢想量子計算走進(jìn)現(xiàn)實

2019年10月23日,，權(quán)威雜志《自然》刊出了谷歌量子AI團(tuán)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(wù)上，量子計算機(jī)可以大大超越經(jīng)典計算機(jī)的計算能力了,。

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

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(kuò)張,，在某些問題上展現(xiàn)出極強(qiáng)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(shè)備有可能就無法打敗最強(qiáng)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(jī)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(jī)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(xué)教授,、量子科學(xué)和技術(shù)研究所所長Barry Sanders 認(rèn)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(jī),，其性能比其他任何經(jīng)典計算機(jī)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(dá)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(rèn)為這是量子計算領(lǐng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)器的模擬能力,，實驗取得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)器的模擬能力。這個實驗技術(shù)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(shù)問題。僅僅在技術(shù)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(jìn)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(jìn)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(jī)確實有超越目前最強(qiáng)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(jī)?！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(jī)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(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉,、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上在線發(fā)表了論文,，他們構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機(jī)“九章”,，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)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(jī)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(dǎo)比特量子計算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。

這一成果使得我國成功達(dá)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(quán)”）,。多位國外相關(guān)領(lǐng)域的教授,，包括多位沃爾夫獎獲得者，美國科學(xué)院院士等資深專家,，紛紛發(fā)表評論,，盛贊中國科學(xué)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?wù)碌弥鱅gnacio Cirac評論說：“總體來說，這是量子科技領(lǐng)域的一個重大突破,，朝著研制相比經(jīng)典計算機(jī)具有量子優(yōu)勢的量子設(shè)備邁出了一大步,。潘教授的團(tuán)隊在世界上獨(dú)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(xué)院院長、美國科學(xué)院院士,、沃爾夫獎得主Anton Zeilinger認(rèn)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(jī)也可能實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”,。

麻省理工學(xué)院教授、美國青年科學(xué)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(jī)的里程碑,。

維也納大學(xué)教授、美國物理學(xué)會會士Philip Walther評論道：“他們在實驗中取得了目前最強(qiáng)經(jīng)典計算機(jī)萬億年才能給出的計算結(jié)果,，為量子計算機(jī)的超強(qiáng)能力給出了強(qiáng)有力的證明,。”

加拿大卡爾加里大學(xué)教授,、量子科學(xué)和技術(shù)研究所所長Barry Sanders評論說：“我認(rèn)為這是一項杰出的工作,，改變了當(dāng)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(jī)望塵莫及,?！?/p>

昆士蘭大學(xué)教授Tim Ralph評論說：“我相信潘教授和陸教授團(tuán)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(shù)推進(jìn)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以前的水平,。”

美國科學(xué)院院士,、沃爾夫獎,、狄拉克獎?wù)碌弥鱌eter Zoller表示，利用量子器件來解決日益復(fù)雜的問題并體現(xiàn)量子優(yōu)勢是量子科學(xué)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(jìn)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(kuò)展性方面,，還是在實際應(yīng)用的前景方面,，都把研究水平提升到了一個新的高度。