中国首次实现量子优越性！比谷歌突破更厉害，比最强超级计算机快一百万亿倍 | Science
共 2888字，需浏览 6分钟
·
2020-12-07 18:28
「比全球最快的超级计算机快一百万亿倍！」
「超越了谷歌量子计算优越性！」
「是里程碑式突破！」
……
今天，潘建伟团队所构建的「76个光子的量子计算原型机」一经问世，便引起了业界巨大的反响。
并且，在线发表在了国际学术期刊Science。
这台量子计算原型机，名曰「九章」，取自我国古代最早的数学著作《九章算术》，其计算速度直接问鼎全球最快。
这一里程碑式重大突破，是我国首次，也是全球第二个实现「量子优越性」的国家。
正如潘建伟表示：
这一成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位。
「九章」，问鼎世界第一
「九章」的速度有多快？
以玻色子采样（boson sampling）问题为例，便可知其一二。
由于玻色子采样装置输出配置的概率分布，和NP-Hard问题有关，所以很难在经典计算机中模拟。
因此，它被认为是可以证明量子优越性的问题之一。
在这次研究中，潘建伟团队进行的实验便是求解高斯玻色子采样。其结果如下：
比目前全球最快的超级计算机（富岳），快出了一百万亿倍。
比谷歌去年推出的53 个超导比特量子计算原型机「悬铃木」，快一百亿倍。
△ 「富岳」超级计算机
具体而言，在5000万个样本情况下，「九章」在处理这个问题时，仅用了200秒。
若是换做「富岳」，需要的时长是非常惊人的，长达6亿年之久。
而即便是全年轰动一时的谷歌「悬铃木」，在处理这个问题的时候，也要比「九章」慢得多。
△ 「悬铃木」量子计算原型机
此外，根据另一组对比数据，也能从侧面反映出「九章」之快。
去年「悬铃木」在求解随机线路采样问题时，所需的时间也为200秒，但一是解决问题不同，二是样本数量仅为100万。
而用当时最快的超级计算机「Summit」来计算，需要2天的时间。
不难看出，这与「九章」和超级计算机的差距，不是在一个量级。
△ 「Summit」超级计算机
同样作为量子计算原型机，「九章」与「悬铃木」相比：
在室温下环境下即可运行。
弥补了依赖样本数量的技术漏洞。
那么，「九章」具体是如何做到如此强悍的量子优越性的呢？
「九章」成功的关键
整体来看，潘建伟团队此次成功构建的「九章」，是自主研制的76个光子 100 个模式的高斯玻色取样量子计算原型机。
量子光源方面，同时具备高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力。
100模式干涉线路方面，同时满足相位稳定、全连通随机矩阵、波包重合度优于 99.5%、通过率优于 98% 。
还具备相对光程 10-9 以内的锁相精度，高效率 100 通道超导纳米线单光子探测器。
根据根据中国科学技术大学官网介绍，下图便是「九章」的光路系统原理图。
左上方激光系统产生高峰值功率飞秒脉冲。
左方25个光源通过参量下转换过程，产生50路单模压缩态输入到右方100模式光量子干涉网络。
最后利用100个高效率超导单光子探测器对干涉仪输出光量子态进行探测。
下图则是光量子干涉装置，集成在20 cm x 20 cm的超低膨胀稳定衬底玻璃上。
这个装置是用来实现50路单模压缩态间的两两干涉，并高精度地锁定任意两路光束间的相位。
下图是光量子干涉的实物图。
图中左下方为输入光学部分，右下方为锁相光路，上方共输出100个光学模式，分别通过低损耗单模光纤与100超导单光子探测器连接。
对于如此的研究工作，Science审稿人给出了这样的评价：
一个最先进的实验（a state-of-the-art experiment）。
一个重大成就（a major achievement）。
潘建伟团队出品
潘建伟是中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长，对推动中国量子计算的发展贡献了非常大的力量。
其团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平。
据中国科学技术大学官网介绍，2017年，该团队构建了世界首台超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机。
2019年，团队进一步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，输出复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，逼近了「量子计算优越性」。
除此之外，中国科学技术大学介绍，对于量子计算机的研究，本领域的国际同行公认有三个指标性的发展阶段：
发展具备50-100个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中「量子计算优越性」的里程碑。
通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题（如量子化学、新材料设计、优化算法等）。
通过积累在专用量子计算与模拟机的研制过程中发展起来的各种技术，提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值（>99.9%），大幅度提高可集成的量子比特数目（百万量级），实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。
而这次潘建伟团队的重大突破，牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位。
德国马普学会量子光学研究所所长、沃尔夫奖得主Ignacio Cirac认为：
这是量子科技领域的一个重大突破，朝着研制相比经典计算机具有量子优势的量子设备，迈出一大步。
美国国家科学院院士、沃尔夫奖得主Peter Zoller表示：
该实验无论是在量子系统大小和扩展性方面，还是在实际应用前景方面，都把研究水平提升到了一个新的高度。
最后，此次科研团队的研究者们认为：
希望这个工作能够激发更多的经典算法模拟方面的工作，也预计将来会有提升的空间。
参考链接：
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770?rss=1
http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73418.htm
推荐阅读
