光明日?qǐng)?bào)記者 常河

12月4日,，包括光明日?qǐng)?bào)在內(nèi)的許多媒體報(bào)道了一個(gè)量子計(jì)算的大成果：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉,、陸朝陽等人構(gòu)建了一臺(tái)76個(gè)光子100個(gè)模式的量子計(jì)算機(jī)“九章”，它處理“高斯玻色取樣”的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬億倍,。也就是說,，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一億年完成的任務(wù)，“九章”只需一分鐘,。同時(shí),，“九章”也等效地比谷歌去年發(fā)布的53個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。

然而,，很多讀者在驚嘆這一重大科研成果的同時(shí),，卻對(duì)其中的原理、成果的意義,、量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用前景不明就里,，甚至有讀者反映，“每個(gè)漢字都認(rèn)識(shí),，但還是不懂”,。為此，光明日?qǐng)?bào)記者采訪了相關(guān)專家,，嘗試揭開“九章”神秘的面紗,，了解量子計(jì)算機(jī)的原理。

光量子干涉實(shí)物圖中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖

什么是量子計(jì)算機(jī)

“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,。相應(yīng)的,，現(xiàn)有的我們?cè)谟玫挠?jì)算機(jī)被稱為經(jīng)典計(jì)算機(jī)?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室副研究員袁嵐峰一直致力于科普寫作,，他告訴記者,，兩者的計(jì)算形式不一樣,，“電腦通過電路的開和關(guān)進(jìn)行計(jì)算，而量子計(jì)算機(jī)則是以量子的狀態(tài)作為計(jì)算形式,?！?/p>

我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娔X，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字,，這些信息在硬件電路里都會(huì)轉(zhuǎn)換成1和0,，每個(gè)比特要么代表0，要么代表1,，這些比特就是信息,，然后再進(jìn)行傳輸、運(yùn)算與存儲(chǔ),。正是因?yàn)檫@種0和1的“計(jì)算”過程,，電腦才被稱為“計(jì)算機(jī)”。

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?！傲孔恿W(xué)允許一個(gè)物體同時(shí)處于多種狀態(tài),，0和1同時(shí)存在，就意味著很多個(gè)任務(wù)可以同時(shí)完成,，因此具有超越計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力,。”中科大教授陸朝陽說,，每個(gè)量子比特,，不僅可以表示0或1，還可以表示成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)疊加的形式可能性會(huì)很多很多。

“目前的量子計(jì)算機(jī)使用的是如原子,、離子,、光子等物理系統(tǒng)，不同類型的量子計(jì)算機(jī)使用的是不同的粒子,，這次的‘九章’使用的是光子,?！痹瑣狗逭f。

袁嵐峰告訴記者,，量子計(jì)算機(jī)并不是對(duì)所有的問題都超過經(jīng)典計(jì)算機(jī),，而是只對(duì)某些特定的問題超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)，因其對(duì)這些特定的問題設(shè)計(jì)出高效的量子算法,?！皩?duì)于沒有量子算法的問題，例如最簡(jiǎn)單的加減乘除,，量子計(jì)算機(jī)就沒有任何優(yōu)勢(shì),。”

“九章”量子計(jì)算原型機(jī)實(shí)物圖資料圖片

“九章”到底長(zhǎng)什么樣

在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)光量子實(shí)驗(yàn)室,，記者見到了確立中國(guó)量子計(jì)算優(yōu)越性的“九章”,。

從外觀上看，與其說它是計(jì)算機(jī),，倒不如說是一臺(tái)敞開式的運(yùn)算系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)桌上3平方米左右的格子里擺滿了上千個(gè)部件,，“這些都是量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)的光路”，潘建偉研究組的苑震生教授說,，“正是通過我國(guó)自主創(chuàng)新的量子光源,、量子干涉、單光子探測(cè)器等,，我們構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型,。”

另一張桌子上,，擺放著“九章”的接收器,。“如果你站在兩張桌子之間,，就意味著你置身于‘九章’之中”,。

原來，神秘的“九章”就是一堆光路和接收裝置,。

袁嵐峰告訴記者,，光學(xué)是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的一種手段，跟超導(dǎo),、離子阱,、核磁共振等很多其他手段并列?！爸袊?guó)科技大學(xué)把光學(xué)這種手段帶到了世界的中心,，大大擴(kuò)展了學(xué)術(shù)界對(duì)這種手段上限的估計(jì)，這是這項(xiàng)成果在技術(shù)上的重要意義,?！?/p>

“九章”確立的“量子計(jì)算優(yōu)越性”有多厲害

“九章”的成果,，就是實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性?！傲孔佑?jì)算機(jī)在某個(gè)問題上超越現(xiàn)有的最強(qiáng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī),，被稱為‘量子優(yōu)越性’或者叫‘量子霸權(quán)’?！?/p>

袁嵐峰隨后解釋說,，“實(shí)際上，‘量子霸權(quán)’是一個(gè)科學(xué)術(shù)語,，跟國(guó)際政治無關(guān),。它指的是量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)問題上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的計(jì)算機(jī),?！?/p>

基于量子的疊加性，許多量子科學(xué)家認(rèn)為,，量子計(jì)算機(jī)在特定任務(wù)上的計(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JohnPreskill將其描述為“量子計(jì)算優(yōu)越性”或稱“量子霸權(quán)”,。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),。

“九章”量子計(jì)算原型機(jī)光路系統(tǒng)原理圖中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖

“谷歌造出的‘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次,，而現(xiàn)有的最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)完成同樣的任務(wù)需要一萬年,。200秒對(duì)一萬年，如果這是雙方的最佳表現(xiàn),，那么確實(shí)是壓倒性的優(yōu)勢(shì),。”袁嵐峰說,，“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(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),?！斑@兩個(gè)沒有孰優(yōu)孰劣，只是不同的技術(shù)路線,?！?/p>

“‘九章’在同樣的賽道上,，比‘懸鈴木’快一百億倍，這就是等效速度,，也意味著我國(guó)在量子計(jì)算上實(shí)現(xiàn)了‘量子霸權(quán)’”,。袁嵐峰進(jìn)一步解釋說，“九章”的成果牢固確立了我國(guó)在國(guó)際量子計(jì)算研究中的“第一方陣”地位,。這是因?yàn)橛小皯意從尽痹谇?，“九章”畢竟是第二個(gè)，所以只是說中國(guó)跟美國(guó)相差不遠(yuǎn),?！岸诹孔油ㄐ欧矫妫覀兙筒徽f什么‘第一方陣’了,。因?yàn)槟抢餂]有方陣,，中國(guó)明確是世界最先進(jìn)的?！?/p>

何謂高斯玻色取樣

所有的報(bào)道中都提到,，“‘九章’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)‘富岳’快一百萬億倍”。那么,，什么是高斯玻色取樣,？

“玻色取樣是用來展示量子計(jì)算優(yōu)越性的特定任務(wù)中的一項(xiàng)，一直被科學(xué)家寄予厚望,?！痹瑣狗逭f，“大致可以理解為,，一個(gè)光路有很多個(gè)出口,，問每一個(gè)出口有多少光出去?！?/p>

由于量子力學(xué)賦予了光子很多匪夷所思的性質(zhì),，使得光子的不同路徑之間，不但可以相互疊加,，也可以相互抵消,，具體結(jié)果視情況而定，非常復(fù)雜,?！霸诿鎸?duì)這樣的難題時(shí)，玻色取樣裝置就有了用武之地,。由于它像計(jì)算機(jī)一樣,，能夠在較高的精度上解決特定的數(shù)學(xué)問題，同時(shí)又應(yīng)用了光子的量子力學(xué)特性,，所以可以稱作是一種‘光量子計(jì)算機(jī)’,?！痹瑣狗逭f。

此次,，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉,、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作,，成功研制出的“九章”,，和之前的玻色取樣機(jī)的主要區(qū)別，在于輸入的光子狀態(tài),，也就是對(duì)從前的“玻色取樣”裝置進(jìn)行升級(jí),。“玻色取樣機(jī)輸入的是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的光子,，而‘九章’輸入的是一團(tuán)團(tuán)相互關(guān)聯(lián)的量子光波,。”袁嵐峰說,，因此,，“九章”比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快很多倍，真正體現(xiàn)出了“量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)”,。

量子計(jì)算機(jī)要不要裝系統(tǒng)

“量子計(jì)算機(jī)本身就是一套‘系統(tǒng)’?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)林梅教授說,，獨(dú)立的光學(xué)組件提供了硬件，復(fù)雜的光路結(jié)構(gòu)則決定了它的“算法”,?！袄纾怨庾幼鳛榱孔颖忍氐牧孔佑?jì)算機(jī),，需要能夠產(chǎn)生光子的單光子源,，能夠改變光子狀態(tài)、完成‘算法’的特定光路結(jié)構(gòu),，還需要單光子探測(cè)器對(duì)光子的最終狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè),。”

據(jù)了解,，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的控制,，仍然需要通過普通電腦進(jìn)行信息的輸入和輸出。工作人員需要在普通電腦上輸入初始數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)在量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中進(jìn)行復(fù)雜的轉(zhuǎn)換和運(yùn)算,，最后得到的結(jié)果會(huì)再傳輸回工作人員的普通電腦上。

量子計(jì)算機(jī)距離實(shí)用還有多遠(yuǎn)

量子計(jì)算機(jī)能不能處理有實(shí)用價(jià)值的問題,？答案是：能,。

“例如因數(shù)分解,，量子計(jì)算機(jī)就是有快速算法的。因數(shù)分解的困難性是現(xiàn)在最常用的密碼體系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?！痹瑣狗逭f,，“問題只是在于，現(xiàn)有的量子計(jì)算機(jī)只能分解很小的數(shù),，還不足以破解實(shí)用的密碼,。所以在實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性之后，下一個(gè)重要的目標(biāo)就是針對(duì)一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的問題,，造出超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī),。”

“火車剛發(fā)明的時(shí)候,，連馬車的速度都趕不上,；飛機(jī)剛發(fā)明的時(shí)候，只能在天上堅(jiān)持飛1分鐘,；量子計(jì)算機(jī)剛發(fā)明的時(shí)候,，計(jì)算過程也堅(jiān)持不了幾分鐘?！痹瑣狗逭f,，量子計(jì)算發(fā)展到今天，我們研制出的“九章”不僅速度快,、穩(wěn)定性高,，而且有著潛在應(yīng)用價(jià)值?！安还芰孔佑?jì)算機(jī)現(xiàn)在有多么初級(jí),，總有一天，它會(huì)像曾經(jīng)的火車和飛機(jī)一樣,，一步一步向我們走來,。也許將來，我們能夠用光學(xué)實(shí)現(xiàn)真正強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī),，也就是可編程的,、能處理很多有實(shí)用價(jià)值問題的量子計(jì)算機(jī)?！?/p>

科學(xué)界如何評(píng)價(jià)“九章”

“九章”問世后,，贏得科學(xué)界一致肯定，《科學(xué)》雜志審稿人認(rèn)為，此項(xiàng)成果是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”“一個(gè)重大成就”,。

德國(guó)馬普所所長(zhǎng),、沃爾夫獎(jiǎng)和富蘭克林獎(jiǎng)?wù)碌弥鱅gnacioCirac稱，“總體來說,，這是量子科技領(lǐng)域的一個(gè)重大突破,，朝著研制比經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有量子優(yōu)勢(shì)的量子設(shè)備邁出了一大步?！眾W地利科學(xué)院院長(zhǎng),、沃爾夫獎(jiǎng)得主、美國(guó)科學(xué)院院士AntonZeilinger評(píng)價(jià)道,，“這項(xiàng)工作成果很重要,，因?yàn)榕私▊ズ退耐伦C明，基于光子的量子計(jì)算機(jī)也可能實(shí)現(xiàn)‘量子計(jì)算優(yōu)越性’,。我預(yù)測(cè)很有可能有朝一日量子計(jì)算機(jī)會(huì)被廣泛使用,。甚至每個(gè)人都可以使用?！?/p>

美國(guó)麻省理工學(xué)院教授,、美國(guó)青年科學(xué)家總統(tǒng)獎(jiǎng)得主、斯隆獎(jiǎng)得主DirkEnglund則稱之為“一個(gè)劃時(shí)代的成果”,。他說,，“這是開發(fā)中型量子計(jì)算機(jī)的里程碑。它表明,，在復(fù)雜系統(tǒng)的前沿領(lǐng)域中,，我們正處于非常特殊的時(shí)刻，復(fù)雜系統(tǒng)具有我們今天無法在計(jì)算機(jī)上預(yù)測(cè)的復(fù)雜性,。因此，這是一項(xiàng)了不起的成就,?！?/p>

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(zhǎng)BarrySanders說,，“我認(rèn)為這是一項(xiàng)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(gè)實(shí)驗(yàn)使經(jīng)典計(jì)算機(jī)望塵莫及,。我認(rèn)為這是量子計(jì)算領(lǐng)域最重要的成果之一。這個(gè)實(shí)驗(yàn)不存在爭(zhēng)論,，毫無疑問,，該實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)器的模擬能力。我想說的是,，這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(mèng)寐以求的實(shí)驗(yàn)，他們做成了,，讓夢(mèng)想走進(jìn)現(xiàn)實(shí),。”

《光明日?qǐng)?bào)》（2020年12月07日08版）