國(guó)產(chǎn)量子計(jì)算原型機(jī)“九章”問(wèn)世，將參與量子霸權(quán)

量子計(jì)算“霸權(quán)”的爭(zhēng)奪仍在繼續(xù)，這次，輪到中國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)出牌。

據(jù)中新社 12 月 4 日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉、陸朝陽(yáng)教授等組成的研究團(tuán)隊(duì)與合作者成功構(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，在“高斯玻色取樣”任務(wù)中，“九章”一分鐘完成的任務(wù)，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一億年。

“九章”的名字源于《九章算術(shù)》，是現(xiàn)存最早的中國(guó)古代數(shù)學(xué)著作之一，標(biāo)志著中國(guó)古代數(shù)學(xué)體系的形成，是中國(guó)古代數(shù)學(xué)體系的初期代表作，顯然，研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)“九章”寄予厚望。

“九章”量子計(jì)算原型機(jī)光路系統(tǒng)原理圖

凌晨 3 點(diǎn)，“九章”相關(guān)論文也以 First Release 形式在線(xiàn)發(fā)表在 Science，宣布了中國(guó)科大在光量子計(jì)算方面實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算“霸權(quán)”，審稿人評(píng)價(jià)該工作是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”“一個(gè)重大成就”。

所謂“量子霸權(quán)”（Quantum supremacy），更準(zhǔn)確的翻譯是 “量子優(yōu)勢(shì)”或“量子優(yōu)越性”。跟傳統(tǒng)意義上的“霸權(quán)”沒(méi)關(guān)系，而是用來(lái)形容量子計(jì)算機(jī)相較于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)碾壓級(jí)別的計(jì)算能力優(yōu)勢(shì)。

如果量子計(jì)算機(jī)可以解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)上無(wú)法解決的問(wèn)題，不論這項(xiàng)任務(wù)本身是什么，是否有實(shí)際的意義，那么就代表實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。

去年 9 月，Google 宣布其已經(jīng)建造了第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，這款量子計(jì)算機(jī)展現(xiàn)出來(lái)的算力優(yōu)勢(shì)相當(dāng)恐怖，可以在 3 分 20 秒內(nèi)完成對(duì)特定任務(wù)的計(jì)算，而目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“Summit”需要大約一萬(wàn)年的時(shí)間。

而九章更甚，將量子計(jì)算 3 分鐘與傳統(tǒng)超算一萬(wàn)年的對(duì)比，升級(jí)到了一分鐘與一億年的對(duì)比，同時(shí)，這也是中國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)第一次實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”，也是繼美國(guó)之后第二個(gè)實(shí)現(xiàn)的國(guó)家。

此量子計(jì)算，非彼量子計(jì)算

九章取得的進(jìn)展令人欣喜，但第一個(gè)需要明確的點(diǎn)是，九章不是“量子計(jì)算機(jī)”。如果你留意相關(guān)報(bào)道，會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)于九章的描述都是“量子計(jì)算原型機(jī)”。

其中的區(qū)別是，九章隸屬的光量子計(jì)算機(jī)，本身就是用來(lái)計(jì)算“高斯玻色采樣”的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它只能干這件事，不具備泛用性。潘建偉院士此前曾表示，通用量子計(jì)算機(jī)問(wèn)世可能還需要 15～30 年的時(shí)間。

眼下乃至未來(lái)很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，量子計(jì)算只能作為傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的輔助。

光量子計(jì)算機(jī)，即操縱光量子比特的原型機(jī)，以光子作為載體。

量子通用計(jì)算機(jī)還太遙遠(yuǎn)，要想衡量原型機(jī)的性能，就需要引入新的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即特定的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，而光量子計(jì)算機(jī)擅長(zhǎng)的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，就是高斯玻色采樣。

這是一塊“高爾頓板”，理論上，一個(gè)小球從上方的入口掉入后，遇到每一個(gè)釘板的“路后”后向左和向右有 1/2 的概率，經(jīng)過(guò)若干個(gè)釘板后，進(jìn)入下方的凹槽。

這實(shí)際上是一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)問(wèn)題，根據(jù)中心極限定理，當(dāng)小球足夠大時(shí)，小球落入凹槽的分布近似于正態(tài)分布。

而“高斯玻色取樣”是量子世界中的高爾頓板。潘建偉院士發(fā)起、由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)主辦的論壇“墨子沙龍”中對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)有過(guò)相關(guān)解釋?zhuān)?/p>

當(dāng) n 個(gè)全同玻色子經(jīng)過(guò)一個(gè)干涉儀（線(xiàn)性變換器）之后，求特定分布的輸出概率。例如，在一個(gè)7進(jìn)7出干涉儀的1、2、3口同時(shí)輸出3個(gè)全同玻色子，求3個(gè)光子在2、3、5口各輸出一個(gè)光子的分布概率。

由于量子的特性，導(dǎo)致求解步數(shù)與計(jì)算難度指數(shù)級(jí)別增長(zhǎng)。

而光量子計(jì)算機(jī)在這個(gè)項(xiàng)目上可以秒殺傳統(tǒng)超算，也因此實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。

中科大官方表示：

根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”對(duì)于處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬(wàn)億倍，等效地比谷歌去年發(fā)布的53比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。

同時(shí)，通過(guò)高斯玻色取樣證明的量子計(jì)算優(yōu)越性不依賴(lài)于樣本數(shù)量，克服了谷歌53比特隨機(jī)線(xiàn)路取樣實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴(lài)于樣本數(shù)量的漏洞?！熬耪隆陛敵隽孔討B(tài)空間規(guī)模達(dá)到了1030（“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)模是1016，目前全世界的存儲(chǔ)容量是1022）。

九章是一個(gè)持續(xù)迭代的項(xiàng)目。

2017 年 5 月，潘建偉院士及其同事陸朝陽(yáng)、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組，宣布在去年首次實(shí)現(xiàn)十光子糾纏操縱的基礎(chǔ)上，利用高品質(zhì)量子點(diǎn)單光子源構(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)，50 量子位。

在超導(dǎo)體系，研究團(tuán)隊(duì)打破了之前由谷歌、NASA和UCSB公開(kāi)報(bào)道的九個(gè)超導(dǎo)量子比特的操縱，將超導(dǎo)量子比特的操縱提升到十個(gè)，實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目超導(dǎo)量子比特的糾纏，并在超導(dǎo)量子處理器上實(shí)現(xiàn)了快速求解線(xiàn)性方程組的量子算法。

2019 年 8 月 12 日，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出具有 20 個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子芯片，并成功實(shí)現(xiàn)對(duì)其操控及全局糾纏。

今年 9 月 14 日，潘建偉院士在演講上向公眾透露光量子計(jì)算最新進(jìn)展，剛剛完成了對(duì)50個(gè)光子的玻色取樣，年內(nèi)將實(shí)現(xiàn) 60 比特量子計(jì)算系統(tǒng)，將超越谷歌實(shí)現(xiàn)的 53 比特量子計(jì)算水平。

最終的成果還要更樂(lè)觀，年底最終實(shí)現(xiàn)了 76 量子位的計(jì)算原型機(jī)，76 這個(gè)指標(biāo)全球第一。

但需要明確的是，Google 去年的“Sycamore”是超導(dǎo)量子，而科大用的是光量子平臺(tái)，兩個(gè)平臺(tái)是完全不同的體系，用來(lái)衡量的“尺子”也不同，Sycamore 可以通過(guò)編程模擬多種任務(wù)，而九章更專(zhuān)，無(wú)法直接比較誰(shuí)更為領(lǐng)先。

“霸權(quán)”仍在爭(zhēng)奪

盡管九章只針對(duì)特定問(wèn)題，仍有理由為九章起立喝彩，它代表了我國(guó)在量子計(jì)算方面的大力投入，以及階段性的成果。在光量子方面，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。

量子計(jì)算也被放到了很高的優(yōu)先級(jí)上。今年 10 月中共中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)，習(xí)近平在主持學(xué)習(xí)時(shí)發(fā)表了講話(huà)。

他指出，近年來(lái)，量子科技發(fā)展突飛猛進(jìn)，成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿領(lǐng)域。加快發(fā)展量子科技，對(duì)促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展、保障國(guó)家安全具有非常重要的作用。

2017 年，潘建偉院士曾表示“量子計(jì)算機(jī)可以實(shí)用化，未來(lái)全世界會(huì)有很多臺(tái)，但不需要家家都有?！碑?dāng)量子計(jì)算機(jī)實(shí)用化以后，將能解決密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)、金融分析、石油勘探、人工智能、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域內(nèi)的難題。

不過(guò)要明確的是，量子計(jì)算機(jī)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)到?jīng)]到可以談大規(guī)模落地的階段，中科大的文章中也明確“九章為未來(lái)實(shí)現(xiàn)可解決具有重大實(shí)用價(jià)值問(wèn)題的規(guī)模化量子模擬機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)”。

研究類(lèi)似量子計(jì)算這種前沿科學(xué)，人多錢(qián)多，是必不可少的要素。能持續(xù)投入研究的國(guó)家，一個(gè)手就能數(shù)得過(guò)來(lái)。對(duì)于還在賽馬階段的技術(shù)來(lái)說(shuō)，跑得快就是應(yīng)用，最重要的任務(wù)就是爭(zhēng)搶技術(shù)高地。從這個(gè)角度來(lái)看，九章出色地完成了任務(wù)，它爭(zhēng)奪的，是未來(lái)的話(huà)語(yǔ)權(quán)。

和國(guó)內(nèi)不同的是，在國(guó)外，量子計(jì)算是科技公司們廝殺的新領(lǐng)域。英特爾、Google、IBM 等科技公司都在競(jìng)相投入。Google 去年的 Sycamore 算是搶了個(gè)先，IBM 的量子計(jì)算機(jī) Q System One 也在各大展會(huì)上亮過(guò)相，還通過(guò)云向外開(kāi)放計(jì)算能力。

也是在今天，英特爾在其研究院開(kāi)放日上，公布了量子計(jì)算方面的新進(jìn)展，宣布推出第二代低溫控制芯片 Horse Ridge II，支持增強(qiáng)的功能和更高集成度，新功能包括操縱和讀取量子位狀態(tài)的能力，以及多個(gè)量子位糾纏所需的多個(gè)量子門(mén)的控制能力。

量子計(jì)算仍是通往未來(lái)世界的一把鑰匙，有國(guó)家的科研力量帶頭，也希望國(guó)內(nèi)的科技公司能夠參與進(jìn)來(lái)，投入資金和人力進(jìn)行研發(fā)，共同推進(jìn)量子計(jì)算的建設(shè)。
責(zé)編AJX