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“九章”问世，中国科学家实现“量子计算优越性”里程碑

晰数塔互联网快讯
2020-12-04 21:18

中国研究团队在量子计算领域实现了重要进展。在一项发表于《科学》杂志的最新研究中，中国科学技术大学的潘建伟和陆朝阳团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，展示了用他们名为“九章”的量子计算机运行高斯玻色采样的技术。他们用九章探测到76个光子——远远超出先前5个光子的记录。九章也表现出了远超经典超级计算机的能力，实现了量子优越性（或称量子霸权）。

本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：Daniel Garisto，翻译：王昱，校对：吴非，头图来自：中国科学技术大学

与由硅处理器构建的经典计算机不同，九章是一个布置了激光、镜子、棱镜和光子探测器的精密桌面。它并不是一个可以发送电子邮件和存储文件的通用计算机，但它的确证明了量子计算的潜力。

“九章”量子计算原型机光路系统原理图（图片来源：中国科学技术大学）

去年，谷歌的量子计算机“悬铃木”（Sycamore）用3分钟解决了需要超级计算机运行3天（或者1万年，取决于估计方法）才能解决的问题，登上了新闻头条。这篇论文中，中科大团队估计：要完成九章用200秒完成的特定任务，世界第三超算神威太湖之光需要花费惊人的25亿年。

这只是对量子优越性（quantum primacy）的第二次证明。量子优越性描述的是这样一个时间点：量子计算机以指数速度超过任何经典计算机，高效地完成经典计算机不可能实现的计算任务。这不仅是这一原理的证明，还暗示高斯玻色采样可能存在一些实际用途，例如解决量子化学和数学中的特殊问题。更广泛地说，这种控制光子作为量子比特的能力，是任何大型量子网络的先决条件。（量子比特类似于经典计算中代表信息的比特）

“这并不是轻而易举的事，” 斯科特·亚伦森（Scott Aaronson）说，他是得克萨斯大学奥斯汀分校的理论计算机科学家，他与当时的学生亚历克斯·阿基波夫（Alex Arkhipov）一起，在2011年首次概述了玻色取样的基础。多年来，玻色取样实验停留在检测到3~5个光子的水平，这距离量子优越性“还有很长的路要走”。亚伦森说：“提升这个数字是很难的，向他们的工作致敬。”

过去几年，量子计算已经从朦胧的概念上升到数十亿美元的产业，因其对国家安全、全球经济以及物理和计算科学基础的潜在影响而被认可。2019年，美国通过了《国家量子倡议法案》（National Quantum Initiative Act），在未来10年内计划向量子技术投资超过12亿美元。这一领域也遭到了相当多的炒作，如不切实际的时间表，还有诸如“量子计算机让经典计算机完全过时”的夸张说法。

中科大团队对量子计算机潜力的最新证明至关重要，它和谷歌的方法大相径庭。悬铃木用金属超导体回路形成量子比特；而在九章中，光子本身就是量子比特。这是量子计算原理可以在完全不同的硬件上实现优越性的独立检验。陆朝阳说：“这让我们相信，从长远来看，最终实用的量子模拟器和容错的量子计算机将会变得可行。”

采样光子

为何量子计算机有巨大的潜力？考虑一下著名的双缝实验，光子被射向有两个狭缝A和B的屏障。光子既没有穿过A，也没有穿过B。相反，双缝实验表明，光子处在 “叠加态”，或者说可能性的组合，既穿过了A也穿过了B。理论上，利用量子特性（如叠加）允许量子计算机在解决特定问题时，相较于经典计算机有指数级的速度提升。

21世纪早期，物理学家开始对于利用光子的量子特性制造量子计算机产生了兴趣，部分原因是光子可以在室温下充当量子比特，因此无需像其他量子计算方案一样，执行将系统冷却到只有几开尔文的昂贵任务。但他们很快发现，建立一个通用光量子计算机是不可行的。建立一个能够运行的量子计算机将需要数百万激光和其他光学器件。结果是，光子的量子优越性似乎遥不可及。

直到2011年，亚伦森和阿基波夫介绍了玻色采样的概念，展示如何用几个激光、镜子、棱镜和光子探测器实现有限的量子计算机。突然间，光量子计算机有了一条证明它可能快于经典计算机的路。

光量子干涉示意图（图片来源：中国科学技术大学）

玻色采样的装置类似于名为高尔顿板的玩具——是一个用透明玻璃覆盖的钉板。球从顶部掉落到一行行钉阵中。在球下落的过程中，它们从钉子上弹起，直到落入底部的槽中。对于经典计算机来说，模拟槽中球的分布相对容易。

玻色采样用的不是球，而是光子，它用镜子和棱镜替代了钉子。激光中的光子在镜子上反弹，穿过棱镜，直到它们落入“槽”中被检测到。不像经典的球，光子的量子性让它分布的可能情况数以指数级增长。

玻色采样解决的是“光子如何分布”的重要问题。玻色采样是一台量子计算机，通过其光子分布来求解自身。而经典计算机必须通过计算矩阵的“积和式”（permanent）来找出光子的分布情况。对于两个光子的输入，这只是一个简单的2×2矩阵。但是当光子输入和探测器数量增多时，矩阵的规模变大，问题的计算难度也呈指数级上涨。

去年中科大团队展示了检测到14个光子的玻色采样——对于笔记本来说很难计算，但是对于超级计算机来说很容易。为了进一步提升量子优越性，它们用了一个略有不同的协议：高斯玻色采样。

根据德国帕德伯恩大学的量子光学专家，高斯玻色取样的共同开发者之一克里斯汀·西尔伯霍恩（Christine Silberhorn）的说法，这项技术旨在避免亚伦森和阿基波夫的“vanilla”玻色采样中不可靠的单光子。“我想让它变得更实用，”她说，“这是一个具体到你可以开展实验的方案。”

即便如此，她也承认此次研究中的实验方案极其复杂。九章从一束分裂的激光开始，击中25个钛氧基磷酸钾晶体。每个晶体被击中后，可靠地向相反的方向释放两个光子。光子被送入100种输入模式，并在其中通过由300个棱镜和75面镜子构成的轨道。最终，光子落入100个槽中并被检测到。平均运行200秒后，中科大团队每次运行能检测到43个光子。但是在一次运行中，他们观测到了76个光子——这足以声称实现量子优越性。

100模式相位稳定干涉仪（图片来源：中国科学技术大学）

很难估计经典超级计算机解决76个光子的分布问题要花多长时间——很大程度上是因为花25亿年运行超级计算机来直接检验它是不可行的。不过，研究人员可以根据经典计算机计算较少量的光子时所花的时间进行推测。研究人员称，最好的情况下，解决50个光子的问题要花费超级计算机两天时间，这比九章200秒的运行时间要慢得多。

玻色采样方案多年来一直因为低光子数难以扩展，而缺乏新进展。为了保持灵敏的量子排列，光子必须保持不可区分。想象一下，这就像在一场赛马比赛中，同时让赛马从栏中起跑，又同时到达终点。不幸的是，光子要比马不可靠得多。

当九章中的光子运行在其22米长的轨道上时，它们的位置差异不会超过25纳米。陆朝阳说，这相当于100匹马跑100千米，穿过终点线时它们的距离差异不超过一根头发的宽度。

量子探索

中科大量子计算机的名字九章，来自《九章算术》，一本中国古代的数学著作。

中文里，九并不仅意味着9，它代表巨大的数量，就像刘禹锡在诗中写到的——

九曲黄河万里沙，

浪淘风簸自天涯。

量子计算经历了众多曲折，但仍在向前发展。陆朝阳说，超越经典计算机并不是一蹴而就的事，而是一场持续的竞赛，需要看传统算法和计算机能否追上，或是量子计算机是否能保持它的领先地位。

事物是在持续发展的。10月末，加拿大量子计算初创公司Xanadu的研究人员发现了一种算法，该算法以二次方缩短了经典模拟所用的时间。换句话说，如果之前检测到50个光子就能实现量子优越性，那么现在你需要100个。

对于亚伦森这样的理论计算机科学家，这个结果令人激动，因为它有助于给出反对扩展邱奇－图灵论题（The Extended Church-Turing Thesis）的进一步证据，这个论题认为任何物理系统都能在经典计算机上被高效地模拟。

“在最广泛的层面上，如果我们把宇宙想象成计算机，那它是哪种计算机？” 亚伦森说，“是一台经典计算机？还是量子计算机？”

目前为止，宇宙就像我们正在尝试制造的计算机一样，似乎是顽固的量子。