原標(biāo)題：什么是量子霸權(quán)？“九章”的優(yōu)勢在哪,？九問量子計算機

（記者張璐）據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)12月4日消息,，中國科學(xué)家構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”。根據(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,。

什么是量子計算？“九章”有哪些優(yōu)勢,？新京報記者采訪了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心副研究員袁嵐峰,，對此進行科普。

Q1：什么是量子計算機,？

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

對于經(jīng)典計算機來說,，每個比特要么代表0,，要么代表1。這些比特就是信息,，對這些信息運算,，實際上就是用電路構(gòu)建一些邏輯門，完成“與”,、“非”,、“或”以及更復(fù)雜的操作。

而量子計算,，則是利用量子天然具備的疊加性,，施展并行計算的能力。每個量子比特,，不僅可以表示0或1,，還可以表示0和1分別乘以一個系數(shù)再疊加，隨著系數(shù)的不同,，這個疊加形式的可能性會很多很多,。

這種疊加性意味著，隨著量子比特數(shù)增加,，量子計算機的計算能力會指數(shù)增加,，經(jīng)典計算機將望塵莫及,。

“九章”量子計算原型機光路系統(tǒng)原理圖,。圖/中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)

Q2：與經(jīng)典計算機相比，量子計算機更適合應(yīng)用在哪些場景,？

袁嵐峰：量子計算機并不是對所有的問題都超過經(jīng)典計算機,，而是只對某些特定的問題超過經(jīng)典計算機，因為對這些特定的問題能設(shè)計出高效的量子算法,。對于沒有量子算法的問題,，例如最簡單的加減乘除，量子計算機就沒有任何優(yōu)勢,。

量子計算機可望在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題上,，如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化,、材料設(shè)計,、藥物分析等方面，相比經(jīng)典計算機實現(xiàn)指數(shù)級別的加速,。

例如一個非常重要的問題,，因數(shù)分解，就是量子計算機有快速算法的例子,。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),，所以量子計算機能快速進行因數(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：隨著量子計算機技術(shù)的進步，在特定任務(wù)上,，量子計算機的計算能力將會遠超任何一臺經(jīng)典計算機,。2012年，美國物理學(xué)家John Preskill將其描述為“量子計算優(yōu)越性”或稱“量子霸權(quán)”,。

量子霸權(quán)是一個科學(xué)術(shù)語,，跟國際政治無關(guān)。它指的是量子計算機在某個問題上遠遠超過現(xiàn)有的計算機,。由于“霸權(quán)”這個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：任何計算機都需要一定的物理體系來實現(xiàn),，例如經(jīng)典計算機可以用電子管、晶體管或集成電路,。同樣的,，量子計算機也有不同的物理體系,。“九章”使用的是光子,。量子力學(xué)中的粒子分為費米子和玻色子,，光子屬于玻色子。

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

由于光的波動性,，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,。在面對這樣的難題時，玻色取樣裝置就有了用武之地,，這是一種“光量子計算機”,。

傳統(tǒng)的玻色取樣輸入的是一個個獨立的光子。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,，而是一團團相互關(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”。這樣可以提高實驗效率,。

光量子干涉實物圖：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個光學(xué)模式，分別通過低損耗單模光纖與100超導(dǎo)單光子探測器連接,。圖/中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)

Q5：“九章”長什么樣,？運行時對環(huán)境有要求嗎？

袁嵐峰：在外形上,，九章就是一些光路,，一個實驗室里的兩個格子就能放下。探測部分需要用到超導(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行的，這是光量子計算機相對于超導(dǎo),、離子阱等其他技術(shù)路線的優(yōu)勢,。

Q6：“九章”相對于經(jīng)典計算機有多大的優(yōu)勢,？

袁嵐峰：我國的神威·太湖之光超級計算機曾經(jīng)是世界上最快的超級計算機，每秒鐘峰值運算12.5億億次,。

九章計算的問題是一種叫作“哥本哈根式”（Hafnian）的問題,。根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”花200秒采集到的5000個樣本,，如果用我國最快的“太湖之光”超級計算機,，需要運行25億年。如果用目前世界排名第一的超級計算機“富岳”,，也需要6億年,。也就是說，九章比富岳快一百萬億倍,。

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，谷歌第一個宣布實現(xiàn)了量子優(yōu)越性,。他們用的量子計算機叫作“懸鈴木”,，處理的問題大致可以理解為：判斷一個量子隨機數(shù)發(fā)生器是不是真的隨機。

“懸鈴木”包含53個量子比特的芯片,，花了200秒對一個量子線路取樣一百萬次,，而利用當(dāng)時世界排名第一的超級計算機Summit完成同樣的任務(wù)需要一萬年。

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

Q8：“九章”的研發(fā)難點在于什么,？

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,，彼此之間相位差就會不穩(wěn)定,，也就觀測不到穩(wěn)定的采樣結(jié)果。

在這次實驗中,，每路單模壓縮光進入干涉網(wǎng)絡(luò)之前,，要各自經(jīng)過2米自由空間和20米光纖，所謂保持相位鎖定，也就是保證這個路徑的光程恒定,?？茖W(xué)家們采取“缺啥補啥”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,，并與一個標(biāo)準(zhǔn)參考激光進行比較（通過干涉的方法）,，實時監(jiān)測每一路與標(biāo)準(zhǔn)參考光的相位差，并進行相應(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,，該團隊成功構(gòu)建了76個光子100個模式的高斯玻色采樣量子計算原型機。

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/中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)

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

袁嵐峰：對于量子計算機的研究，同行公認(rèn)有三個指標(biāo)性的發(fā)展階段,。第一個階段是發(fā)展具備50-100個量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(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,。

此次“九章”的研制成功,，就是第一個階段的勝利。在這之后,，科學(xué)家還會致力于研制可相干操縱數(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(xué),、新材料設(shè)計,、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（百萬量級）和精度（容錯閾值＞99.9%）,，研制可編程的通用量子計算原型機。

我們重視量子計算,，是因為它的潛力,，而不是它的現(xiàn)狀。它確實有革命性的潛力,，只是還需要艱苦的努力,，絕不是一蹴而就的,。

新京報記者張璐