我國(guó)量子計(jì)算原型機(jī)問世 “九章”為何能成為里程碑

12月4日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(guó)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”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。

這一成果使得我國(guó)成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑——-量子計(jì)算優(yōu)越性。相關(guān)論文于12月4日在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”目標(biāo)

由于量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面，如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等，相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。當(dāng)前，研制量子計(jì)算機(jī)已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一，是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家角逐的焦點(diǎn)。

事實(shí)上，量子計(jì)算機(jī)的研制是一個(gè)極具挑戰(zhàn)并且周期可能較長(zhǎng)的工作。為了推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)的研制，必須把其分成一個(gè)個(gè)的小目標(biāo)，不斷逐次突破。其中的第一個(gè)小目標(biāo)就是“量子優(yōu)越性”，指的是量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)特定問題上的計(jì)算能力遠(yuǎn)超過性能最好的超算，證明量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性。因此，“量子優(yōu)越性”被認(rèn)為是量子計(jì)算發(fā)展道路上的一個(gè)重要里程碑。

具體來說，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的研究，國(guó)際同行公認(rèn)有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：

第一階段發(fā)展具備50-100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。

第二階段通過對(duì)規(guī)?；囿w量子體系的精確制備、操控與探測(cè)，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，如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等。

第三階段則是通過積累在專用量子計(jì)算與模擬機(jī)的研制過程中發(fā)展起來的各種技術(shù)，提高量子比特的操縱精度使之達(dá)到能超越量子計(jì)算苛刻的容錯(cuò)閾值（大于99.9%），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)。

“玻色取樣”算法處于國(guó)際領(lǐng)先

量子計(jì)算研究的第一個(gè)階段性目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，即研制出量子計(jì)算原型機(jī)在特定任務(wù)的求解方面超越經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算“特定任務(wù)”，是指經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，非常適合于量子計(jì)算設(shè)備發(fā)揮其計(jì)算潛力的問題。這類問題包括隨機(jī)量子線路采樣、IQP線路、高斯玻色取樣。而2019年10月谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)所針對(duì)的問題是隨機(jī)量子線路采樣。

所謂“高斯玻色取樣”問題，我們可以理解成一個(gè)量子世界的高爾頓板。

高爾頓板問題是由英國(guó)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)家高爾頓提出來的，這個(gè)模型可以用來直觀地認(rèn)識(shí)中心極限定理。如果將“高爾頓釘板”發(fā)展出一個(gè)量子版本，即由全同光子來代替小球，用分束器來代替釘子，則這個(gè)游戲就變成“玻色取樣”的量子模擬。一般來講，“玻色取樣”是指，在n個(gè)全同玻色子經(jīng)過一個(gè)干涉儀后，對(duì)n個(gè)玻色子的整個(gè)輸出態(tài)空間進(jìn)行采樣的問題。

計(jì)算機(jī)科學(xué)家S.Aaronson和A.Arkhipov于2013年提出一種快速計(jì)算矩陣的常值方法，主要原理是對(duì)經(jīng)過線性器件處理的玻色子的概率分布進(jìn)行抽樣分析，從而可以很快地求出一個(gè)n×n維矩陣常值的方法。自然界中的粒子分為玻色子和費(fèi)米子，而光子屬于玻色子，這樣就可以運(yùn)用光子實(shí)現(xiàn)玻色取樣實(shí)驗(yàn)。

從計(jì)算復(fù)雜度的角度來看，隨著光子數(shù)的增加求解步數(shù)呈指數(shù)上漲。對(duì)于這樣一個(gè)經(jīng)典計(jì)算異常困難的問題，在中小規(guī)模下就可以打敗超級(jí)計(jì)算機(jī)。因此，“玻色取樣”這個(gè)問題被量子計(jì)算領(lǐng)域的科學(xué)家盯上了，準(zhǔn)備拿它小試牛刀，挑戰(zhàn)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

同樣，為什么隨機(jī)量子線路經(jīng)典計(jì)算機(jī)很難模擬？舉個(gè)例子來說，比如一個(gè)50比特的隨機(jī)量子線路采樣，最終輸出的量子態(tài)的態(tài)空間的維度是250，如果使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬，首先要存儲(chǔ)如此高維度的量子態(tài)是極其困難的，其次，在如此高維的計(jì)算空間上，模擬每一層的量子計(jì)算操作，直至輸出最終的計(jì)算結(jié)果，更是難上加難！

而利用超導(dǎo)量子比特實(shí)現(xiàn)隨機(jī)線路取樣和利用光子實(shí)現(xiàn)玻色取樣，是目前國(guó)際學(xué)術(shù)界公認(rèn)的演示量子計(jì)算優(yōu)越性的兩大途徑。在第二種路線上，中科大團(tuán)隊(duì)一直保持國(guó)際領(lǐng)先。2019年，他們實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計(jì)算，輸出狀態(tài)空間維數(shù)高達(dá)370萬億，其復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特，逼近了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

此次，潘建偉團(tuán)隊(duì)通過自主研制同時(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，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”。這個(gè)成果牢固確立了我國(guó)在國(guó)際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位，為未來實(shí)現(xiàn)可解決具有重大實(shí)用價(jià)值問題的規(guī)模化量子模擬機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。此外，基于“九章”量子計(jì)算原型機(jī)的高斯玻色取樣算法在圖論、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。

讓夢(mèng)想量子計(jì)算走進(jìn)現(xiàn)實(shí)

2019年10月23日，權(quán)威雜志《自然》刊出了谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)的最新科研工作，在持續(xù)重金投入量子計(jì)算13年后，成功地用實(shí)驗(yàn)證明“量子優(yōu)越性”。即在特定任務(wù)上，量子計(jì)算機(jī)可以大大超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力了。

對(duì)此，加拿大卡爾加里大學(xué)教授、量子科學(xué)和技術(shù)研究所所長(zhǎng)Barry Sanders 認(rèn)為，去年，谷歌取得了一項(xiàng)巨大的成果，即量子計(jì)算優(yōu)越性，但這是有爭(zhēng)議的。谷歌的結(jié)果是，他們擁有一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，其性能比其他任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)都要好。然后，IBM對(duì)此提出相反的論點(diǎn)：他們并未完全實(shí)現(xiàn)，質(zhì)疑是否真正達(dá)到了量子計(jì)算優(yōu)越性。

面對(duì)“九章”所證明的“量子計(jì)算優(yōu)越性”，Barry Sanders則毫不吝嗇地稱贊：“我認(rèn)為這是量子計(jì)算領(lǐng)域最重要的成果之一。這個(gè)實(shí)驗(yàn)不存在爭(zhēng)論，取得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)器的模擬能力。這個(gè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)挑戰(zhàn)非常巨大。為了獲得此結(jié)果，他們必須解決許多非常困難的技術(shù)問題。僅僅在技術(shù)層面上，他們所取得的成就也令人印象深刻。這是人們夢(mèng)寐以求的實(shí)驗(yàn)，他們做成了，讓夢(mèng)想走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。”

畢竟，經(jīng)典算法的發(fā)展以及超算上的工程化實(shí)現(xiàn)，還有提升空間。“量子優(yōu)越性”本身也是經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算博弈和演進(jìn)的過程。谷歌宣稱的“量子優(yōu)越性”，目的僅僅是為了在實(shí)驗(yàn)上證明量子計(jì)算機(jī)確實(shí)有超越目前最強(qiáng)超算的能力，這并不意味著已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)?！傲孔觾?yōu)越性”對(duì)于量子計(jì)算的發(fā)展，僅僅是一個(gè)開始。

對(duì)此，潘建偉表示，量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)并不是一蹴而就的工作，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(jìng)爭(zhēng)，最終量子并行性會(huì)產(chǎn)生經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法企及的算力。