我國量子計算原型機問世 “九章”為何能成為里程碑

12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊，與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。

這一成果使得我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑——-量子計算優(yōu)越性。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)》上。

實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”目標(biāo)

由于量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面，如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計、藥物分析等，相比經(jīng)典計算機實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。當(dāng)前，研制量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一，是歐美發(fā)達國家角逐的焦點。

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

具體來說，對于量子計算機的研究，國際同行公認(rèn)有三個指標(biāo)性的發(fā)展階段：

第一階段發(fā)展具備50-100個量子比特的高精度專用量子計算機，對于一些超級計算機無法解決的高復(fù)雜度特定問題實現(xiàn)高效求解。

第二階段通過對規(guī)?；囿w量子體系的精確制備、操控與探測，研制可相干操縱數(shù)百個量子比特的量子模擬機，用于解決若干超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題，如量子化學(xué)、新材料設(shè)計、優(yōu)化算法等。

第三階段則是通過積累在專用量子計算與模擬機的研制過程中發(fā)展起來的各種技術(shù)，提高量子比特的操縱精度使之達到能超越量子計算苛刻的容錯閾值（大于99.9%），大幅度提高可集成的量子比特數(shù)目至百萬量級，實現(xiàn)容錯量子邏輯門，研制可編程的通用量子計算原型機。

“玻色取樣”算法處于國際領(lǐng)先

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

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

所謂“高斯玻色取樣”問題，我們可以理解成一個量子世界的高爾頓板。

高爾頓板問題是由英國生物統(tǒng)計學(xué)家高爾頓提出來的，這個模型可以用來直觀地認(rèn)識中心極限定理。如果將“高爾頓釘板”發(fā)展出一個量子版本，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個全同玻色子經(jīng)過一個干涉儀后，對n個玻色子的整個輸出態(tài)空間進行采樣的問題。

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

從計算復(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。對于這樣一個經(jīng)典計算異常困難的問題，在中小規(guī)模下就可以打敗超級計算機。因此，“玻色取樣”這個問題被量子計算領(lǐng)域的科學(xué)家盯上了，準(zhǔn)備拿它小試牛刀，挑戰(zhàn)經(jīng)典計算機。

同樣，為什么隨機量子線路經(jīng)典計算機很難模擬？舉個例子來說，比如一個50比特的隨機量子線路采樣，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)典計算機模擬，首先要存儲如此高維度的量子態(tài)是極其困難的，其次，在如此高維的計算空間上，模擬每一層的量子計算操作，直至輸出最終的計算結(jié)果，更是難上加難！

而利用超導(dǎo)量子比特實現(xiàn)隨機線路取樣和利用光子實現(xiàn)玻色取樣，是目前國際學(xué)術(shù)界公認(rèn)的演示量子計算優(yōu)越性的兩大途徑。在第二種路線上，中科大團隊一直保持國際領(lǐng)先。2019年，他們實現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算，輸出狀態(tài)空間維數(shù)高達370萬億，其復(fù)雜度相當(dāng)于48個量子比特，逼近了“量子計算優(yōu)越性”。

此次，潘建偉團隊通過自主研制同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴展能力的量子光源，成功構(gòu)建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”。這個成果牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，為未來實現(xiàn)可解決具有重大實用價值問題的規(guī)?；孔幽M機奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。此外，基于“九章”量子計算原型機的高斯玻色取樣算法在圖論、機器學(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。

讓夢想量子計算走進現(xiàn)實

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

對此，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Barry Sanders 認(rèn)為，去年，谷歌取得了一項巨大的成果，即量子計算優(yōu)越性，但這是有爭議的。谷歌的結(jié)果是，他們擁有一臺量子計算機，其性能比其他任何經(jīng)典計算機都要好。然后，IBM對此提出相反的論點：他們并未完全實現(xiàn)，質(zhì)疑是否真正達到了量子計算優(yōu)越性。

面對“九章”所證明的“量子計算優(yōu)越性”，Barry Sanders則毫不吝嗇地稱贊：“我認(rèn)為這是量子計算領(lǐng)域最重要的成果之一。這個實驗不存在爭論，取得的結(jié)果遠遠超出了傳統(tǒng)機器的模擬能力。這個實驗技術(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。這是人們夢寐以求的實驗，他們做成了，讓夢想走進現(xiàn)實?！?/p>

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

對此，潘建偉表示，量子優(yōu)越性實驗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算硬件之間的競爭，最終量子并行性會產(chǎn)生經(jīng)典計算機無法企及的算力。