中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的一套光量子計(jì)算系統(tǒng)，最近在高斯玻色采樣(GaussianBosonSampling)問題上取得重要突破，求解速度達(dá)到目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)的一百萬億倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

　　這意味著中國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”(quantumsupremacy)，另一個(gè)說法是量子優(yōu)越性(quantumcomputationaladvantage)，即在某個(gè)特定問題上的計(jì)算能力遠(yuǎn)超現(xiàn)有最強(qiáng)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在有限時(shí)間內(nèi)無法完成計(jì)算。

　　北京時(shí)間12月4日凌晨，該工作在《科學(xué)》雜志在線發(fā)表，論文標(biāo)題為“用光子實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性”(Quantumcomputationaladvantageusingphotons)[1]。

　　“這是一個(gè)巨大的技術(shù)突破”，德國馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所理論部主任伊格納西奧·西拉克(IgnacioCirac)表示，“遠(yuǎn)超其他高斯玻色采樣實(shí)驗(yàn)。

　　“我有點(diǎn)驚訝，因?yàn)檫@項(xiàng)實(shí)驗(yàn)非常困難”，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的計(jì)算機(jī)科學(xué)教授斯科特·亞倫森(ScottAaronson)在郵件中告訴《知識(shí)分子》。

　　光量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性

　　潘建偉將該光量子計(jì)算系統(tǒng)命名為“九章”，以此紀(jì)念中國古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。

　　量子計(jì)算機(jī)可以解決一些超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的問題，“九章”解決的“高斯玻色采樣”問題就是一種。

　　“高斯玻色采樣”是一種復(fù)雜的采樣計(jì)算，其計(jì)算難度呈指數(shù)增長，很容易超出目前超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，適合量子計(jì)算機(jī)來探索解決。它是“玻色采樣”問題的一種，而玻色采樣問題是量子信息領(lǐng)域第一個(gè)在數(shù)學(xué)上被嚴(yán)格證明可以用來演示量子計(jì)算加速的算法。

　　在本研究中，潘建偉和同事們構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了“高斯玻色采樣”任務(wù)的快速求解。具體來說，“九章”在一分鐘時(shí)間里完成了經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)一億年才能完成的任務(wù)。

　　2019年10月，美國物理學(xué)家JohnMartinis帶領(lǐng)的谷歌團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，他們開發(fā)的“懸鈴木”(sycamore)芯片采用超導(dǎo)量子計(jì)算，產(chǎn)生53個(gè)量子比特，宣稱能用200秒完成經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)大約一萬年才能完成的計(jì)算。[2]

　　作為高斯玻色采樣的共同提出者，亞倫森表示，盡管谷歌的團(tuán)隊(duì)去年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，但這個(gè)概念非常重要，需要多個(gè)團(tuán)隊(duì)用多種技術(shù)重復(fù)去證實(shí)，因此他非常高興看到這次的成果。

　　與谷歌采用零下273攝氏度左右的超導(dǎo)線圈產(chǎn)生量子比特不同，潘建偉團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)用光子實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算過程，大部分實(shí)驗(yàn)過程在常溫下進(jìn)行。他們將一束定制的激光分成強(qiáng)度相等的13條路徑，聚焦在25個(gè)晶體上產(chǎn)生25個(gè)特殊狀態(tài)的量子光源，光源通過2米自由空間和20米光纖(其中5米纏繞在一個(gè)壓電陶瓷上)，進(jìn)入干涉儀和彼此“對(duì)話”，最后的輸出結(jié)果由100個(gè)超導(dǎo)納米線單光子探測器探測，最終有76個(gè)探測器探測到了光子。

　　“九章”實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

　　干涉儀中發(fā)生的“對(duì)話”過程，讓光子波在同時(shí)同地完美重合，使光子表現(xiàn)出經(jīng)典世界不存在的量子干涉現(xiàn)象。

　　該研究的通訊作者之一、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽說，如果把這個(gè)系統(tǒng)比喻成彈珠機(jī)，光子就是其中的彈珠，這些珠子本身是有“分身術(shù)”的，而且兩個(gè)完全相同的珠子之間會(huì)有“鬼魅般的”相互作用，相遇的話一定會(huì)一起從同一個(gè)門跑出去。

　　本論文的第一作者均為90后，鐘翰森(左圖后排左5)為95年出生，王輝(右圖前排左二)是91年出生，陳明城(右圖后排左4)為90年，最小的是97年的鄧宇皓(左圖后排左1)。本圖由受訪者提供。

　　一個(gè)突破，多少技術(shù)革新?

　　在悉尼大學(xué)教授史蒂夫·弗拉米亞(SteveFlammia)看來，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的亮點(diǎn)是通過技術(shù)改進(jìn)達(dá)到的實(shí)驗(yàn)規(guī)模(scale)。“看到這份論文的摘要時(shí)，我的第一個(gè)反應(yīng)是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的規(guī)模是難以置信的”，他在郵件中告訴《知識(shí)分子》。“50個(gè)壓縮態(tài)進(jìn)入100模式的干涉儀?簡直不可思議!”

　　弗拉米亞在2005年夏天訪問過潘建偉在合肥的實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)時(shí)他和陸朝陽都還是學(xué)生。他當(dāng)時(shí)已經(jīng)對(duì)陸朝陽表現(xiàn)出來的學(xué)術(shù)潛力印象深刻。“同學(xué)們都知道陸朝陽將會(huì)做出非常的工作。”

　　此次實(shí)驗(yàn)非一蹴而就。2017年，潘建偉、陸朝陽團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單光子量子計(jì)算機(jī)，2019年則實(shí)現(xiàn)了輸入20個(gè)光子、探測14個(gè)光子的量子計(jì)算。“當(dāng)時(shí)國際上基本上在做大概3到4個(gè)光子”，陸朝陽說，“我們2019年的這個(gè)工作已經(jīng)讓國際非常震驚了。”

　　陸朝陽在量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，攝影:H.-T.Guo，2020年8月

　　一年前，亞倫森認(rèn)為再突破很難，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)難度極大[3]。“看上去他們好像遇到了10-20個(gè)光子的門檻。”他對(duì)《知識(shí)分子》說。

　　陸朝陽介紹，此次實(shí)驗(yàn)突破這一門檻的關(guān)鍵，除了采用高速玻色采樣這一新模型，還有多項(xiàng)重要技術(shù)革新。

　　首先，實(shí)驗(yàn)采用的量子光源是國際上同時(shí)具備高效率、高全同性(指粒子具有完全相同的屬性)、極高亮度和大規(guī)模擴(kuò)展能力的量子光源。

　　“(光源的)這些指標(biāo)互相影響、此消彼長，要同時(shí)保證所有指標(biāo)，就像是讓好多只貓排排坐，要同時(shí)抓住它們。”陸朝陽說。

　　其次，“高精度鎖相技術(shù)”將光源在自由空間和光纖中的光程抖動(dòng)控制在25納米之內(nèi)。陸朝陽以奔跑的50匹馬做比喻，他表示這相當(dāng)于它們跑過100公里的距離，但偏離路線的誤差小于一根頭發(fā)絲的直徑。

　　此外，實(shí)驗(yàn)在干涉技術(shù)和單光子探測技術(shù)上都做到了極高的精度。其中，中科院上海微系統(tǒng)所專門為實(shí)驗(yàn)建造了一臺(tái)高性能單光子探測儀。

　　這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)計(jì)算驗(yàn)證和速度比較在國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心研制的“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)上完成。

　　未來屬于誰：超導(dǎo)量子計(jì)算還是光量子計(jì)算?

　　超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)和光子量子計(jì)算機(jī)，哪個(gè)在計(jì)算能力上潛力更大?

　　“盡管這次的結(jié)果極好，我還是懷疑光子量子計(jì)算能否在遠(yuǎn)期和其他量子計(jì)算技術(shù)競爭。”弗拉米亞說。

　　通用量子計(jì)算機(jī)指的是可解決所有計(jì)算問題的計(jì)算機(jī)。“九章”目前還不能通用于玻色采樣以外的其他計(jì)算，不具通用性。“遺憾的是，每個(gè)我們關(guān)心的計(jì)算問題都和這個(gè)玻色采樣問題沒有關(guān)系，”弗拉米亞說，“比如我們可能關(guān)心貨車如何選擇最有效率的路線送貨，或者關(guān)心怎么樣預(yù)測一個(gè)特定分子的性質(zhì)以用于化學(xué)或醫(yī)療。研究人員認(rèn)為玻色采樣不能幫助解決這些重要問題。”

　　他認(rèn)為，潘和陸的工作更有可能幫助建立量子通信網(wǎng)絡(luò)和量子互聯(lián)網(wǎng)。

　　而亞倫森認(rèn)為，未來也許可以將九章改造成一個(gè)通用量子計(jì)算機(jī)，“谷歌采取的超導(dǎo)量子比特有通用的優(yōu)勢(如果有足夠的量子比特且持續(xù)時(shí)間夠長就能做任何運(yùn)算)，而計(jì)算玻色采樣需要加入新的資源來獲得通用性……我相信潘的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)充分意識(shí)到這一點(diǎn)并且正在努力。”

　　亞倫森說，與谷歌的實(shí)驗(yàn)相比，“九章”的優(yōu)勢在于它產(chǎn)生的狀態(tài)空間(statespace)大得多，這是因?yàn)楣庾拥恼穹?amplitude)更多。狀態(tài)空間指的是配置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可能方式，量子計(jì)算機(jī)的狀態(tài)空間越大，經(jīng)典計(jì)算機(jī)要完成相同的計(jì)算就越難。[4]

　　谷歌“懸鈴木”產(chǎn)生的狀態(tài)空間約為10的16次方，而此次“九章”產(chǎn)生的狀態(tài)空間約為10的30次方。