中国科学家实现“量子霸权” 计算速度比超级计算机快100万亿倍
本研究中，潘建伟及其同事用76个光子搭建了量子计算原型“九章”，实现了“高斯玻色采样”任务的快速求解。具体来说，《九章》在一分钟内完成了经典超级计算机一亿年才能完成的任务。
在2013年于乌兹堡召开的中德固态量子信息研讨会上，潘建伟(第一排左起第四位)和卢朝阳(第一排左起第一位)讨论并决定了玻色采样研究计划。回答者提供的图片。
撰文 | 王一苇
责编 | 陈晓雪
中国科学技术大学的潘建伟和卢朝阳搭建的一套光学量子计算系统，最近在高斯玻色子采样方面有了重要突破，其求解速度达到了世界上最快的超级计算机的100万亿倍，远远超过了经典计算机。
这意味着中国科学家第一次实现了“量子至上”，另一种说法是量子计算优势，即对某一特定问题的计算能力远远超过现有最强的传统计算机，传统计算机无法在有限的时间内完成计算。
北京时间12月4日凌晨，该作品在线发表在《科学》杂志上，标题为“利用光子的量子计算优势”[1]。
德国马克斯普朗克量子光学研究所理论部主任伊格纳西奥西拉克说，"这是一个巨大的技术突破"“远远优于其他高斯玻色采样实验。
“我有点惊讶，因为这个实验非常困难，”奥斯汀得克萨斯大学的计算机科学教授斯科特艾伦森在一封电子邮件中告诉《知识分子》。
光学量子计算首次实现了量子计算的优越性
潘建伟将光学量子计算系统命名为《九章》，以纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。
量子计算机可以解决一些超出传统计算能力的问题，第九章解决的高斯玻色采样问题就是其中之一。
“高斯玻色采样”是一种复杂的采样计算，其计算难度呈指数级增长，很容易超过目前超级计算机的计算能力，适合量子计算机探索和求解。是一类“玻色采样”问题，玻色采样是量子信息领域第一个经过严格数学证明，可以用来演示量子计算加速的算法。
本研究中，潘建伟及其同事用76个光子搭建了量子计算原型“九章”，实现了“高斯玻色采样”任务的快速求解。具体来说，《九章》在一分钟内完成了经典超级计算机一亿年才能完成的任务。
2019年10月，以美国物理学家约翰马丁尼斯(John Martinis)为首的谷歌团队实现了“量子霸权”。他们开发的“sycamore”芯片利用超导量子计算产生53个量子比特，声称可以在200秒内完成经典超级计算机在大约1万年内可以完成的计算。[2]
作为高斯Bose采样的共同发起人，亚伦森表示，虽然谷歌的团队去年实现了“量子霸权”，但这个概念非常重要，需要多个团队用多种技术来重复，所以他很高兴看到这个成就。
与谷歌使用-273摄氏度左右的超导线圈产生量子位不同，潘建伟的实验使用光子实现量子计算，大部分实验是在室温下进行的。他们将一束定制的激光束分成13条强度相等的路径，聚焦在25个晶体上，产生25个特殊状态的量子光源。光源进入干涉仪，通过2米的自由空间和20米的光纤(其中5米缠绕在压电陶瓷上)相互“交谈”。最终输出被100个超导纳米线单光子探测器探测到，76个探测器最终探测到光子。
“九章”实验装置示意图
干涉仪中的“对话”过程使光子波在同一时间同一地点完美重合，使光子呈现出经典世界不存在的量子干涉现象。
中国科技大学教授、该项研究的通讯作者之一陆朝阳表示，如果将该系统比作弹球机，光子就在弹球之间，这些珠子本身就有“分离”，两个一模一样的珠子之间会有“鬼魅”的相互作用，如果相遇，肯定会一起从同一个门跑出去了。
这篇论文的第一作者都是90后。钟翰森(左，后排第五)出生于1995年，王晖(右前排第二)出生于1991年，陈铭诚(右后排第四)出生于1990年，最小的是邓(左后排第一)1997年。此图由受访者提供。
一个突破，多少技术创新？
据这项实验最大的亮点是通过技术改进达到的实验规模（scale）.悉尼大学教授史蒂夫弗拉米亚说，“当我看到这篇论文的摘要时，我的第一反应是这个实验的规模令人难以置信，”他通过电子邮件告诉《知识分子》。“50个压缩态进入100模式的干涉仪？简直不可思议！”
2005年夏天，Flamia拜访了潘建伟在合肥的实验室，当时他和卢朝阳都是学生。他已经被卢朝阳的学术潜力折服了。“大家都知道，卢朝阳会做得很好的。”
这个实验不是一夜之间完成的。2017年，潘建伟、卢朝阳团队建造了世界上第一台超越早期经典计算机的单光子量子计算机，2019年实现了输入20个光子、检测14个光子的量子计算。“当时，国际社会基本上在做大约3到4个光子，”卢朝阳说。“我们在2019年的工作已经震惊了国际社会。”
卢朝阳，量子光学实验室，照片：郭海涛，2020年8月
一年前，艾伦森认为很难再次突破，因为实验极其困难[3]。"看起来他们已经达到了10-20个光子的阈值."他对《知识分子》说。
陆朝阳介绍，这次实验突破这个门槛的关键不仅仅是高速玻色采样的新模型，还有很多重要的技术创新。
首先，实验中使用的量子光源是世界上唯一一种效率高、同质性高(意思是粒子性质相同)、亮度极高、具有大规模膨胀能力的光源。
“这些(光源的)指标是相互影响的，所有的指标都应该同时得到保证，”就像是让好多只猫排排坐，要同时抓住它们。.卢朝阳说
其次，“高精度锁相技术”将光源在自由空间和光纤中的光路抖动控制在25纳米以内。卢朝阳对比50匹跑。他说，这相当于跑100公里，但偏离路线的距离小于一根头发的直径。
此外，实验在干涉技术和单光子探测技术上取得了较高的精度。其中，中科院上海微系统研究所专门为实验搭建了高性能单光子探测器。
本实验的传统计算验证和速度对比在国家并行计算机工程技术研究中心开发的“神威太湖之光”超级计算机上完成。
超导量子计算和光学量子计算谁属于未来？
超导量子计算机和光子量子计算机，哪个在计算能力上更有潜力？
“虽然这次的结果很优秀，但我还是怀疑光子量子计算从长远来看能否与其他量子计算技术抗衡。”弗莱米娅说。
通用量子计算机是指能够解决所有计算问题的计算机。目前《九章》除了Bose采样不能用于其他计算，所以不具有普适性。“不幸的是，我们关心的每一个计算问题都与这个玻色采样问题无关，”弗洛里亚说。“例如，我们可能关心如何选择最有效的卡车运输路线，或者如何预测化学或医疗用途的特定分子的特性。研究人员认为，玻色采样不能帮助解决这些重要问题。”
他认为潘和陆的工作更有可能帮助建立量子通信网络和量子互联网.
亚伦森认为，未来也许可以将九章改造成一个通用量子计算机,“谷歌采用的超导量子位有一个普遍的优势(如果量子位足够多，持续时间足够长，你可以做任何运算)，玻色采样的计算需要增加新的资源。获得多功能性.我相信潘的团队已经充分意识到这一点，并且正在努力工作。”
艾伦森说，与谷歌的实验相比，“九章” 的优势在于它产生的状态空间（state space）大得多,这是因为光子具有更大的振幅。状态空间是指配置计算机系统的可能方式。量子计算机的状态空间越大，经典计算机完成同样的计算就越困难。[4]
Google的“悬铃木”生成的状态空间约为10次方到16次方，而这个“九章”生成的状态空间约为10次方到30次方。
亚伦还说，因为光子的相干时间比超导量子位长，一些科学家认为，这个系统最终可能比超导量子位更好地实现规模计算的目标。
离应用还有多远？
从演示到实际应用，量子计算还是需要科学家长的努力。即使是像谷歌的“悬铃木”这样的通用量子计算机，也无法解决人们关心的实际问题。
Flamia认为，一般量子计算的实现还需要很多年。“我预测未来五年，一些特殊的现实世界问题可能会有一些小的进展，但我认为这些问题主要吸引科学家。”
希拉克说：“谷歌和潘建伟的实验，或者其他量子模拟实验，表明了我们看不见的东西，但要实现这一目标还有很长的路要走。”
“我们希望这项工作能够激发更多的经典算法模拟工作，预计未来会有改进的空间，”卢朝阳说。“量子优势实验不是一次性的工作，而是更快的经典算法和不断增加的量子计算硬件之间的竞争，但最终量子并行会产生经典计算机无法比拟的计算能力。”
陆朝扬认为，但这些实验让我们对前路充满乐观。.
就像人们对激光的认识，从最初实验室里的工具到许多意想不到的领域中的应用，量子计算机也许会遵循相似的路径,他说，“由此产生的量子模拟器和专用量子计算机将成为物理学家、化学家和工程师在材料应用和药物设计方面的重要工具。”
参考文献：
[1]钟海s等.科学10.1126/science.abe8770 (2020).
[2]Arute，F .Arya，K .Babbush，R .等.使用可编程超导处理器的量子优势.自然574，505510(2019)。
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5
[3]https://www . scientific American.com/article/quantum-computer-maked-from-photos-a-new-record/
[4]https://www . scientific American.com/article/quantum-computer-maked-from-photos-a-new-record/