潘建伟陆朝阳率领中国首次实现量子优越性！速度超目前最快的超级计算机百万亿倍-轻识

大数据文摘出品

昨天，中国科研团队再登国际著名学术期刊Science。

这次广受瞩目的是中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟，中国科学技术大学教授陆朝阳等研究团队的重磅成果——光量子计算系统“九章”。

该光量子计算系统在高斯玻色采样（Gaussian Boson Sampling）问题上取得重要突破，实验结果显示，“九章”处理特定问题的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，同时也等效地比谷歌去年发布的53比特量子计算原型机Sycamore快一百亿倍。

这意味着，中国科学家首次实现 “量子霸权”（quantum supremacy），或者说量子优越性（quantum computational advantage），即在某个特定问题上计算能力远超现有最强的传统计算机，而传统计算机在有限时间内无法完成计算。

潘建伟团队将该光量子计算系统命名为“九章”，以此纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770

央视也对其进行了专门的报道，潘建伟表示，希望能够通过15年到20年的努力，研制出通用的量子计算机，这样就可以解决很多广泛的问题，比如密码分析、气象预报、药物设计，以及探索物理学或者化学生物学里面的一些复杂的问题。

富岳号算1亿年，“九章”只要1分钟

近年来，量子科技逐渐得到国内外的重视，这也与量子科技的计算能力有着直接关系。对此央视新闻做出了一个十分形象的比喻，如果传统计算机的速度是“自行车”，那么量子计算机的速度应该称得上是“飞机”了。

根据陆朝阳教授的说法，传统计算机将所有数据存储为1或0，但量子计算机是利用量子力学的原理，可以允许一个物体同时处于多种状态，比如说0和1同时存在，原理上叫做“并行计算”，很多任务可以一起完成。正是因为具有超快的并行计算能力，量子计算可望通过特定算法实现指数级别的加速。

陆朝阳在量子光学实验室，摄影: H.-T. Guo，2020年8月

潘建伟教授说到，量子优越性的实现是量子计算研究的第一个里程碑性目标。

“量子优越性”这个词的提出其实可以追溯到2012年，但直到去年谷歌推出Sycamore，宣布实现量子优越性，这个词才开始变得广为人知，各国的量子竞技也才受到更多的关注。简单来说，量子优越性是指量子计算拥有的超越所有经典计算机的计算能力，即可以解决经典计算机不能解决的问题或比经典计算机有显著的加速（一般是指数加速）。

为了实现量子优越性，“九章”的研究团队在高斯波色采样实验当中构建了一个量子计算的原型机，其运算速度比目前最快的超算还要快10的14次方倍。做一个简单的比较，“就相当于这里算一分钟的东西，用‘富岳号’拿来算的话，要算一亿年才能算完，这就叫做量子优越性”。

同效不同路，“九章”走的是玻色采样

既然量子优越性如此高效，想要实现想必也是困难重重，根据现阶段主要说法，想要实现量子优越性，需要克服两个难点：一是操纵量子比特的数量，二是操纵量子比特的精准度。

我们先看看去年谷歌的Sycamore，根据介绍，谷歌主要利用的是“随机线路采样”这一特定任务实现了量子优越性：超级计算机至少需要10000年才能完成的计算，Sycamore在200秒内就可以完成。

Martinis小组的研究员Ben Chiaro说：“选择该算法是为了利用设备的自然动态来强调量子计算机的优势。”也就是说，研究人员想要测试计算机容纳和快速处理大量复杂的非结构化数据的能力。

但是除此之外，玻色采样也是一种经典计算机难以完成的任务。

玻色采样最初由计算机科学家Scott Aaronson和Alex Arkhipov于2011年提出，在证明量子计算优势时，它需要计算玻色子的概率分布情况和粒子的量子波相干。

可不要小看了这个玻色采样，这类运算被普遍认为难度超过世界七大数学难题之一的“NP完全问题”，因为在运算过程中，解法数量会随着变量增加而呈指数增长。同时，Aaronson和Arkhipov也已经证明，如果有数十个玻色子，就不可能找到冗长的经典计算捷径。

因此，如果想要完成相关计算，单光子源和干涉仪、单光子源的单光子性、全同性和提取效率，干涉仪效率和波包重叠性都要得到充分保证。

2017年，潘建伟、陆朝阳团队把目光放到了量子点光源上，这是一种可能的解决方法。他们用一种共振激发的量子点光源，能产生确定性的高品质单光子，此外，他们自主设计研发了高效率的线性光学网络。

“九章”实验装置示意图

“九章”也延续这样的方式，在研究过程中，团队将50个全同单模压缩态输入100模式超低损耗干涉线路，利用100个高效单光子探测器进行高斯玻色采样，输出态空间维度达到了10的30次方，采样速率比当前最先进的超级计算机要快上10的14次方倍。

结果显示，在求解5000万个样本的高斯玻色取样时，“九章”需200秒，“富岳”需6亿年。等效来看，“九章”的计算速度比Sycamore快了100亿倍，同时“九章”也弥补了Sycamore依赖样本数量的技术漏洞。

伦敦帝国理工学院的物理学家Ian Walmsley表示：“这无疑是一个杰出的实验，一个重要的里程碑。”

德国马克斯·普朗克量子光学研究所理论部主任Ignacio Cirac表示，“这是一个巨大的技术突破，远超其他高斯玻色采样实验”。

但是，通用量子计算机指的是可解决所有计算问题的计算机，而“九章” 目前还不能通用于玻色采样以外的其他计算。悉尼大学教授Steve Flammia表示，“遗憾的是，每个我们关心的计算问题都和这个玻色采样问题没有关系，比如我们可能关心货车如何选择最有效率的路线送货，或者关心怎么样预测一个特定分子的性质以用于化学或医疗。研究人员认为玻色采样不能帮助解决这些重要问题。”

中国量子计算产业化持续推进

早在“九章”正式问世之前，中国就已经瞄准了这个风口。

10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。会议指出，要找准我国量子科技发展的切入点和突破口，统筹基础研究、前沿技术、工程技术研发，培育量子通信等战略新兴产业，抢占量子科技国际竞争制高点，构筑发展新优势。

在量子计算领域，中科大已经孵化培育了国内第一家以量子计算机的研制、开发和应用为主营业务的初创型公司“本源量子”。2018年12月，本源量子推出完全自主知识产权的首款国产量子控制系统本源量子测控一体机。2020年9月，本源量子推出我国首个6比特超导量子计算云平台。根据新华社报道，本源量子正在研发下一代量子芯片，预计明年年底推出20比特的量子计算机，未来3年实现50-100比特的量子计算机。

除此之外，由清华大学、中国科技大学、香港科技大学等高校科学家团队组成的量旋科技已经推出了桌面型核磁共振量子计算机“双子座”，以及可以链接多个量子计算体系的云服务平台“金牛座”。近日，量旋科技更是已经完成千万人民币的A轮融资，此轮融资将主要用于超导芯片量子计算机的研发与生产。

阿里达摩院也成立了“量子实验室”，该实验室目前已经开发了阿里云量子开发平台（ACQDP），ACQDP在2020年10月的第一个公开版本提供了阿里巴巴量子实验室自研的基于张量网络收缩的通用量子电路模拟器，以及一系列在量子算法和量子纠错码模拟上的应用。