“九章”原型機(jī)面世，我國量子計(jì)算研究新成果

在競爭激烈的量子科技前沿，中國科學(xué)家又樹立起了一座舉世矚目的里程碑。12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，該校潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，求解數(shù)學(xué)算法“高斯玻色取樣”，處理5000萬個(gè)樣本只需200秒，而目前世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)要用6億年。相關(guān)論文于12月4日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

圖1光量子干涉實(shí)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(gè)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(cè)器連接。攝影/馬瀟漢 梁競 鄧宇皓（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖）

《科學(xué)》雜志審稿人評(píng)價(jià)，這是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”，“一個(gè)重大成就”。

潘建偉表示，這一成果牢固確立了我國在國際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位。基于“九章”的“高斯玻色取樣”算法，未來將在圖論、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。

“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)

據(jù)潘建偉團(tuán)隊(duì)介紹，之所以將這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)命名為“九章”，是為了紀(jì)念中國古代數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。

《九章算術(shù)》是中國古代張蒼、耿壽昌所撰寫的一部數(shù)學(xué)專著，它的出現(xiàn)標(biāo)志中國古代數(shù)學(xué)形成了完整的體系，是一部具有里程碑意義的歷史著作。而這臺(tái)名為“九章”的新機(jī)器，同樣具有里程碑意義。

量子計(jì)算機(jī)具有超快并行計(jì)算能力，它通過特定算法在一些重大問題方面實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速?！熬耪隆苯鉀Q的“高斯玻色取樣”問題就是一種。

“高斯玻色取樣”是一個(gè)計(jì)算概率分布的算法，可用于編碼和求解多種問題。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。

在本研究中，潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。

“九章”的算力究竟有多強(qiáng)？在室溫條件下運(yùn)行（除光子探測(cè)部分需4K低溫），計(jì)算“高斯玻色取樣”問題，“九章”處理5000萬個(gè)樣本只需200秒，超級(jí)計(jì)算機(jī)則需要6億年；處理100億個(gè)樣本，“九章”只需10小時(shí)，超級(jí)計(jì)算機(jī)則需要1200億年——而宇宙誕生至今不過約137億年。

“‘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)?！痹撗芯康耐ㄓ嵶髡咧弧⒅袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽說。

圖2：“九章”量子計(jì)算原型機(jī)光路系統(tǒng)原理圖：左上方激光系統(tǒng)產(chǎn)生高峰值功率飛秒脈沖；左方25個(gè)光源通過參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生50路單模壓縮態(tài)輸入到右方100模式光量子干涉網(wǎng)絡(luò)；最后利用100個(gè)高效率超導(dǎo)單光子探測(cè)器對(duì)干涉儀輸出光量子態(tài)進(jìn)行探測(cè)。制圖/陸朝陽 彭禮超（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖）

為了核驗(yàn)“九章”算得“準(zhǔn)不準(zhǔn)”，潘建偉團(tuán)隊(duì)用超算同步驗(yàn)證?！?0個(gè)、20個(gè)光子的時(shí)候，結(jié)果都能對(duì)得上，到40個(gè)光子的時(shí)候超算就比較吃力了，而‘九章’一直算到了76個(gè)光子?！标懗柛嬖V記者。

美國麻省理工學(xué)院副教授，青年科學(xué)家總統(tǒng)獎(jiǎng)、斯隆獎(jiǎng)得主德克·英格倫評(píng)價(jià)說，潘建偉團(tuán)隊(duì)的研究“是一個(gè)劃時(shí)代的成果”，是“開發(fā)中型量子計(jì)算機(jī)的里程碑”。維也納大學(xué)教授、美國物理學(xué)會(huì)會(huì)士菲利普·沃爾澤也認(rèn)為：“他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中拿到了目前最強(qiáng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)萬億年才能給出的計(jì)算結(jié)果，為量子計(jì)算機(jī)的超強(qiáng)能力給出了強(qiáng)有力的證明。”

“九章”處理“高斯玻色取樣”的速度，等效比較下較谷歌開發(fā)的超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快100億倍

眼下，研制量子計(jì)算機(jī)作為世界科技前沿，成為歐美發(fā)達(dá)國家角逐的焦點(diǎn)。

2019年10月，美國物理學(xué)家約翰·馬丁尼斯帶領(lǐng)的谷歌團(tuán)隊(duì)宣布研制出53個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)“懸鈴木”（sycamore）。“懸鈴木”完成100萬次隨機(jī)線路取樣任務(wù)只需200秒，而當(dāng)時(shí)世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂峰”需要2天。美國科學(xué)家得以在全球首次實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

所謂的“量子計(jì)算優(yōu)越性”，又稱“量子霸權(quán)”，這一科學(xué)術(shù)語是指：作為新生事物的量子計(jì)算機(jī)，一旦在某個(gè)問題上的計(jì)算能力超過了最強(qiáng)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，就證明了量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性，使其跨過了未來在多方面超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的門檻。

事實(shí)上，就在谷歌宣布“懸鈴木”的同期，潘建偉團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的“玻色取樣”，輸出復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特的希爾伯特態(tài)空間，逼近了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

近期，該團(tuán)隊(duì)通過在量子光源、量子干涉、單光子探測(cè)器等領(lǐng)域的自主創(chuàng)新，成功構(gòu)建了76個(gè)光子100個(gè)模式的“高斯玻色取樣”量子計(jì)算原型機(jī)“九章”?！熬耪隆蓖瑫r(shí)具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴(kuò)展能力的量子光源，同時(shí)滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機(jī)矩陣、波包重合度優(yōu)于99.5%、通過率優(yōu)于98%的100模式干涉線路，相對(duì)光程10的負(fù)9次方以內(nèi)的鎖相精度，高效率100通道超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器。

實(shí)驗(yàn)顯示，“九章”對(duì)經(jīng)典數(shù)學(xué)算法“高斯玻色取樣”的計(jì)算速度，比目前世界最快的超算“富岳”快一百萬億倍，從而在全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

陸朝陽介紹稱，相比“懸鈴木”，“九章”有三大優(yōu)勢(shì)：一是速度更快。雖然算的不是同一個(gè)數(shù)學(xué)問題，但與最快的超算等效比較，“九章”比“懸鈴木”快100億倍。二是環(huán)境適應(yīng)性。由于采用超導(dǎo)體系，“懸鈴木”必須全程在零下273.12攝氏度（30mK）的超低溫環(huán)境下運(yùn)行，而“九章”除了探測(cè)部分需要零下269.12攝氏度的環(huán)境外，其他部分可以在室溫下運(yùn)行。三是彌補(bǔ)了技術(shù)漏洞?！皯意從尽敝挥性谛颖镜那闆r下快于超算，“九章”在小樣本和大樣本上均快于超算?！按騻€(gè)比方，就是谷歌的機(jī)器短跑可以跑贏超算，長跑跑不贏；我們的機(jī)器短跑和長跑都能跑贏?！?/p>

“這項(xiàng)工作確實(shí)非常重要。”奧地利科學(xué)院院長、沃爾夫獎(jiǎng)得主、美國科學(xué)院院士安東·塞林格說：“全世界正在研發(fā)量子計(jì)算，致力于展示超越常規(guī)計(jì)算機(jī)的能力。潘建偉和他的同事證明，基于光子（光的粒子）的量子計(jì)算機(jī)也可能實(shí)現(xiàn)‘量子計(jì)算優(yōu)越性’。”英國劍橋大學(xué)教授、英國物理學(xué)會(huì)托馬斯·楊獎(jiǎng)?wù)芦@得者米特·阿塔圖爾指出：“對(duì)于量子計(jì)算這個(gè)蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域來說，這確實(shí)是一個(gè)驚艷時(shí)刻。陸教授和潘教授的這一成就將光子和基于光子的量子技術(shù)置于世界舞臺(tái)中央?！?/p>

未來的競爭是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計(jì)算硬件之間的競爭

“九章”量子計(jì)算原型機(jī)的誕生，是否意味著我國在“量子爭霸”上已經(jīng)取得勝利？人類是否馬上就要進(jìn)入量子計(jì)算的時(shí)代？我們可以用它來做些什么？

對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的研究，該領(lǐng)域的國際同行公認(rèn)有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：第一階段是發(fā)展具備50至100個(gè)量子比特的高精度專用量子計(jì)算機(jī)，對(duì)于一些超級(jí)計(jì)算機(jī)無法解決的高復(fù)雜度特定問題實(shí)現(xiàn)高效求解，實(shí)現(xiàn)計(jì)算科學(xué)中量子計(jì)算優(yōu)越性的里程碑；第二階段是研制可相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，用于解決若干超級(jí)計(jì)算機(jī)無法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問題；第三階段是大幅度提高可集成的量子比特?cái)?shù)目至百萬量級(jí)，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子邏輯門，研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。

潘建偉團(tuán)隊(duì)透露，盡管“九章”的算力快得驚人，但它只是在量子計(jì)算第一階段樹起了一座里程碑，未來的路還很長。

在人們對(duì)算力需求指數(shù)級(jí)增長的時(shí)代，量子計(jì)算機(jī)已然成為世界前沿的兵家必爭之地。最近美國公布了量子計(jì)算領(lǐng)域的最新計(jì)劃，英國、歐盟、日本等國家也早有相應(yīng)規(guī)劃。我國“九章”的研制成功，不僅取得了“量子計(jì)算優(yōu)越性”的里程碑式進(jìn)展，也為第二步——解決若干超級(jí)計(jì)算機(jī)無法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問題提供了潛在的前景。

眼下，無論是谷歌的“懸鈴木”處理“隨機(jī)線路取樣”，還是“九章”求解“高斯玻色取樣”，都只能用來解決某一個(gè)特定問題。潘建偉解釋，這是因?yàn)槟壳翱捎脕泶罱孔佑?jì)算機(jī)的材料有限，只能“就食材做菜”，未來量子計(jì)算機(jī)的突破，更有可能依賴于新材料在量子計(jì)算硬件上的創(chuàng)新。“這不是一個(gè)一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計(jì)算硬件之間的競爭?！迸私▊フf。

潘建偉透露，在“九章”量子計(jì)算原型機(jī)的基礎(chǔ)上，他們將通過提高量子比特的操縱精度等一系列技術(shù)攻關(guān)，力爭盡早研制出可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。“希望能夠通過15年到20年的努力，研制出通用的量子計(jì)算機(jī)，用以解決一些應(yīng)用非常廣泛的問題，比如密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)等等，同時(shí)也可以用于進(jìn)一步探索物理學(xué)化學(xué)生物學(xué)領(lǐng)域的一些復(fù)雜問題?！?/p>

“我們現(xiàn)在證明了，中國人在國內(nèi)也可以做好‘科學(xué)’”

安徽合肥，中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院，最新研制成功的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”幾乎占據(jù)了半個(gè)實(shí)驗(yàn)室，包含上千個(gè)部件。這是潘建偉團(tuán)隊(duì)經(jīng)過20多年研究攻關(guān)研制而成。

時(shí)間撥轉(zhuǎn)到20多年前，量子力學(xué)的誕生地奧地利，潘建偉在因斯布魯克大學(xué)初見他的導(dǎo)師塞林格。塞林格教授坐在一把椅子上，背后是一座諾貝爾獎(jiǎng)獲得者使用過的掛鐘和奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼用過的一塊黑板。塞林格問潘建偉：“你未來的計(jì)劃是什么？”潘建偉回答：“將來在中國建一個(gè)和這里一樣好的實(shí)驗(yàn)室?！?/p>

2001年，潘建偉作為中科院引進(jìn)國外杰出人才，同時(shí)獲得中科院基礎(chǔ)局和人教局支持，回國在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)組建了量子物理與量子信息實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室以一批年輕教師和學(xué)生為班底，雖然是從零開始，但組建之初就得到有關(guān)科技主管部門和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的大力支持。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子物理與量子信息實(shí)驗(yàn)室常常燈火通明，潘建偉和他的伙伴們每天工作15個(gè)小時(shí)以上，通宵工作是家常便飯。一項(xiàng)項(xiàng)科研成果不斷涌現(xiàn)：2012年，首次實(shí)現(xiàn)了百公里級(jí)的雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)；2016年8月，牽頭研制并成功發(fā)射國際上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”；2017年5月，建成世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)……

回顧這些年來逐夢(mèng)量子世界的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，潘建偉感慨，從回國籌建實(shí)驗(yàn)室時(shí)的400萬元啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)，到近年來全國幾十個(gè)科研單位支撐建設(shè)的量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”，到全長2000多公里的量子通信“京滬干線”工程，再到研制量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，都離不開國家的強(qiáng)力支持。

“團(tuán)隊(duì)所獲得的持續(xù)支持和所取得的成績不僅彰顯著我國不斷提高的綜合國力和科技創(chuàng)新能力，也充分反映了我國對(duì)支持戰(zhàn)略性前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究的敏銳判斷力和決策力。”潘建偉說。

潘建偉回憶，多年前，他首次提出利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)自由空間量子通信的構(gòu)想，然而這個(gè)“前無古人、聞所未聞”的想法卻遭到質(zhì)疑：量子信息科學(xué)，歐洲、美國都剛剛起步，我們?yōu)槭裁船F(xiàn)在要做？

幸運(yùn)的是，這個(gè)計(jì)劃最終獲得了中國科學(xué)院的支持。借助于中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)正式立項(xiàng)的“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”，潘建偉團(tuán)隊(duì)得以打開量子世界的又一扇大門。

“如果說當(dāng)年楊振寧和李政道先生證明，中國人在國外可以做好‘科學(xué)’。那么我們現(xiàn)在證明了，中國人在國內(nèi)也可以做好‘科學(xué)’?！迸私▊フf。

走進(jìn)潘建偉團(tuán)隊(duì)的量子實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)門正面的墻上，掛著中國科學(xué)院院士、著名核物理學(xué)家趙忠堯先生在《我的回憶》中的一段話：“回想自己的一生，經(jīng)歷過許多坎坷，唯一的希望就是祖國繁榮昌盛，科學(xué)發(fā)達(dá)。我們已經(jīng)盡了自己的力量，但國家尚未擺脫貧窮與落后，尚需當(dāng)今與后世無私的有為青年再接再厲，繼續(xù)努力。”

為了實(shí)現(xiàn)新的劃時(shí)代的“算力革命”，潘建偉和他的團(tuán)隊(duì)還在日夜兼程、不懈探索。