原標(biāo)題：什么是量子霸權(quán)？“九章”的優(yōu)勢(shì)在哪,？九問(wèn)量子計(jì)算機(jī)

（記者張璐）據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)12月4日消息,，中國(guó)科學(xué)家構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”,。根據(jù)現(xiàn)有理論，該量子計(jì)算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍,。

什么是量子計(jì)算,？“九章”有哪些優(yōu)勢(shì)？新京報(bào)記者采訪了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心副研究員袁嵐峰,，對(duì)此進(jìn)行科普,。

Q1：什么是量子計(jì)算機(jī)？

袁嵐峰：量子計(jì)算機(jī)是用量子力學(xué)原理制造的計(jì)算機(jī),，目前還處于很初步的階段,。跟量子計(jì)算機(jī)相對(duì)，現(xiàn)有公眾使用的計(jì)算機(jī)被稱為經(jīng)典計(jì)算機(jī),。

對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō),，每個(gè)比特要么代表0，要么代表1,。這些比特就是信息,，對(duì)這些信息運(yùn)算，實(shí)際上就是用電路構(gòu)建一些邏輯門,，完成“與”,、“非”、“或”以及更復(fù)雜的操作。

而量子計(jì)算,，則是利用量子天然具備的疊加性,，施展并行計(jì)算的能力。每個(gè)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(gè)系數(shù)再疊加，隨著系數(shù)的不同,，這個(gè)疊加形式的可能性會(huì)很多很多,。

這種疊加性意味著，隨著量子比特?cái)?shù)增加,，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力會(huì)指數(shù)增加,，經(jīng)典計(jì)算機(jī)將望塵莫及。

“九章”量子計(jì)算原型機(jī)光路系統(tǒng)原理圖。圖/中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)

Q2：與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比,，量子計(jì)算機(jī)更適合應(yīng)用在哪些場(chǎng)景,？

袁嵐峰：量子計(jì)算機(jī)并不是對(duì)所有的問(wèn)題都超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)，而是只對(duì)某些特定的問(wèn)題超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī),，因?yàn)閷?duì)這些特定的問(wèn)題能設(shè)計(jì)出高效的量子算法,。對(duì)于沒(méi)有量子算法的問(wèn)題，例如最簡(jiǎn)單的加減乘除,，量子計(jì)算機(jī)就沒(méi)有任何優(yōu)勢(shì),。

量子計(jì)算機(jī)可望在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問(wèn)題上，如密碼破譯,、大數(shù)據(jù)優(yōu)化,、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等方面,，相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速,。

例如一個(gè)非常重要的問(wèn)題，因數(shù)分解,，就是量子計(jì)算機(jī)有快速算法的例子,。因數(shù)分解的困難性是現(xiàn)在最常用的密碼體系之一RSA的基礎(chǔ)，所以量子計(jì)算機(jī)能快速進(jìn)行因數(shù)分解,，就意味著能快速破解密碼,。

Q3：什么叫量子霸權(quán)？

袁嵐峰：隨著量子計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,，在特定任務(wù)上,，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力將會(huì)遠(yuǎn)超任何一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī),。2012年，美國(guó)物理學(xué)家John Preskill將其描述為“量子計(jì)算優(yōu)越性”或稱“量子霸權(quán)”,。

量子霸權(quán)是一個(gè)科學(xué)術(shù)語(yǔ),，跟國(guó)際政治無(wú)關(guān)。它指的是量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)問(wèn)題上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī),。由于“霸權(quán)”這個(gè)詞讓許多人不太舒服,，現(xiàn)在更經(jīng)常把它稱為“量子優(yōu)越性”。

Q4：什么叫高斯玻色取樣,？

袁嵐峰：任何計(jì)算機(jī)都需要一定的物理體系來(lái)實(shí)現(xiàn),，例如經(jīng)典計(jì)算機(jī)可以用電子管、晶體管或集成電路,。同樣的,，量子計(jì)算機(jī)也有不同的物理體系?！熬耪隆笔褂玫氖枪庾?。量子力學(xué)中的粒子分為費(fèi)米子和玻色子，光子屬于玻色子,。

玻色取樣是一種適合用來(lái)展示量子計(jì)算優(yōu)越性的任務(wù)，大致可以理解為,，一個(gè)光路有很多個(gè)出口,，問(wèn)每一個(gè)出口有多少光出去。

由于光的波動(dòng)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(jié)果在數(shù)學(xué)上非常復(fù)雜,。在面對(duì)這樣的難題時(shí),，玻色取樣裝置就有了用武之地，這是一種“光量子計(jì)算機(jī)”,。

傳統(tǒng)的玻色取樣輸入的是一個(gè)個(gè)獨(dú)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(shù)的光波,，而是一團(tuán)團(tuán)相互關(guān)聯(lián)的“量子光波”,。它們是不同光子數(shù)的疊加態(tài)，叫作“壓縮光”,。這樣可以提高實(shí)驗(yàn)效率,。

光量子干涉實(shí)物圖：左下方為輸入光學(xué)部分,，右下方為鎖相光路,，上方共輸出100個(gè)光學(xué)模式，分別通過(guò)低損耗單模光纖與100超導(dǎo)單光子探測(cè)器連接,。圖/中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)

Q5：“九章”長(zhǎng)什么樣,？運(yùn)行時(shí)對(duì)環(huán)境有要求嗎？

袁嵐峰：在外形上,，九章就是一些光路,，一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里的兩個(gè)格子就能放下。探測(cè)部分需要用到超導(dǎo),，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(yùn)行的，這是光量子計(jì)算機(jī)相對(duì)于超導(dǎo),、離子阱等其他技術(shù)路線的優(yōu)勢(shì),。

Q6：“九章”相對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)有多大的優(yōu)勢(shì)？

袁嵐峰：我國(guó)的神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)曾經(jīng)是世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī),，每秒鐘峰值運(yùn)算12.5億億次,。

九章計(jì)算的問(wèn)題是一種叫作“哥本哈根式”（Hafnian）的問(wèn)題。根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法,，“九章”花200秒采集到的5000個(gè)樣本,，如果用我國(guó)最快的“太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)，需要運(yùn)行25億年,。如果用目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”,，也需要6億年。也就是說(shuō),，九章比富岳快一百萬(wàn)億倍,。

Q7：“九章”和2019年谷歌發(fā)布的“懸鈴木”有什么區(qū)別？

袁嵐峰：2019年,，谷歌第一個(gè)宣布實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性,。他們用的量子計(jì)算機(jī)叫作“懸鈴木”，處理的問(wèn)題大致可以理解為：判斷一個(gè)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是不是真的隨機(jī),。

“懸鈴木”包含53個(gè)量子比特的芯片,，花了200秒對(duì)一個(gè)量子線路取樣一百萬(wàn)次，而利用當(dāng)時(shí)世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit完成同樣的任務(wù)需要一萬(wàn)年,。

“九章”跟“懸鈴木”的區(qū)別,，一是處理的問(wèn)題不同，二是用來(lái)造量子計(jì)算機(jī)的物理體系不同,?！熬耪隆庇玫氖枪鈱W(xué)，“懸鈴木”用的是超導(dǎo),。兩者都實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性,。

Q8：“九章”的研發(fā)難點(diǎn)在于什么,？

袁嵐峰：光波、水波等想要產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋,，有一個(gè)重要條件就是兩束波的相位差恒定,。量子的干涉也類似，如果每一路的光相位總是抖動(dòng),，彼此之間相位差就會(huì)不穩(wěn)定,，也就觀測(cè)不到穩(wěn)定的采樣結(jié)果。

在這次實(shí)驗(yàn)中,，每路單模壓縮光進(jìn)入干涉網(wǎng)絡(luò)之前,，要各自經(jīng)過(guò)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(gè)路徑的光程恒定,。科學(xué)家們采取“缺啥補(bǔ)啥”的策略,，讓同源的若干路激光分別走壓縮態(tài)光所走的路程,，并與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考激光進(jìn)行比較（通過(guò)干涉的方法），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一路與標(biāo)準(zhǔn)參考光的相位差,，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,。在精密微妙的操控下，2米自由空間+20米光纖光程抖動(dòng)保持在25納米之內(nèi),，這相當(dāng)于100公里的距離誤差小于一根頭發(fā)絲,。

在最終的采樣結(jié)果里，該團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了76個(gè)光子100個(gè)模式的高斯玻色采樣量子計(jì)算原型機(jī),。

100模式相位穩(wěn)定干涉儀：光量子干涉裝置集成在20cm*20cm的超低膨脹穩(wěn)定襯底玻璃上,，用于實(shí)現(xiàn)50路單模壓縮態(tài)間的兩兩干涉，并高精度地鎖定任意兩路光束間的相位,。圖/中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)

Q9：量子計(jì)算機(jī)離成熟,、大規(guī)模使用還有多遠(yuǎn)？未來(lái)可能在哪些方面給人們的生活帶來(lái)顛覆性改變,？

袁嵐峰：對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的研究,，同行公認(rèn)有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段。第一個(gè)階段是發(fā)展具備50-100個(gè)量子比特的高精度專用量子計(jì)算機(jī),，對(duì)于一些超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的高復(fù)雜度特定問(wèn)題實(shí)現(xiàn)高效求解,，實(shí)現(xiàn)計(jì)算科學(xué)中“量子計(jì)算優(yōu)越性”的里程碑。

此次“九章”的研制成功,，就是第一個(gè)階段的勝利,。在這之后,，科學(xué)家還會(huì)致力于研制可相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，用于解決若干超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問(wèn)題（如量子化學(xué),、新材料設(shè)計(jì),、優(yōu)化算法等）。最后,，大幅度提高可操縱的量子比特的數(shù)目（百萬(wàn)量級(jí)）和精度（容錯(cuò)閾值＞99.9%）,，研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。

我們重視量子計(jì)算,，是因?yàn)樗臐摿?，而不是它的現(xiàn)狀。它確實(shí)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(bào)記者張璐