薛山

光學(xué)量子計(jì)算的突破

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的一套光量子計(jì)算系統(tǒng)，最近在高斯玻色采樣（Gaussian Boson Sampling）問(wèn)題上取得重要突破，求解速度達(dá)到目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)的一百萬(wàn)億倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)，該研究成果于北京時(shí)間2020年12月4日凌晨在《科學(xué)》雜志在線發(fā)表，論文標(biāo)題為 “用光子實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性”（Quantum computational advantage using photons）。這意味著中國(guó)科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了 “在某個(gè)特定問(wèn)題上的計(jì)算能力遠(yuǎn)超現(xiàn)有最強(qiáng)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在有限時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成計(jì)算”的量子優(yōu)越性。

在本研究中，潘建偉和同事們構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī) “九章”，實(shí)現(xiàn)了高斯玻色采樣的快速求解，“九章”在對(duì)5000萬(wàn)個(gè)樣本采樣的情況下，200秒就能完成計(jì)算，而目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”則要花費(fèi)6億年之久。如果單純以計(jì)算時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，“九章”的計(jì)算速度甚至是去年谷歌“懸鈴木”的100億倍之多，但“懸鈴木”的計(jì)算位元使用的是超導(dǎo)量子，“九章”則是光量子，兩者的優(yōu)化策略并不相同，計(jì)算內(nèi)容也有一定的區(qū)別，因此這種對(duì)比其實(shí)意義不大。

而且與谷歌采用-273℃左右的超導(dǎo)線圈產(chǎn)生量子比特不同，潘建偉團(tuán)隊(duì)用光子實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的大部分實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以在常溫下進(jìn)行。他們將一束定制的激光分成強(qiáng)度相等的13條路徑，聚焦在25個(gè)晶體上產(chǎn)生25個(gè)特殊狀態(tài)的量子光源，光源通過(guò)2米自由空間和20米光纖（其中5米纏繞在一個(gè)壓電陶瓷上），進(jìn)入干涉儀和彼此 “對(duì)話”，最后的輸出結(jié)果由100個(gè)超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器探測(cè)，最終有76個(gè)探測(cè)器探測(cè)到了光子。

實(shí)驗(yàn)采用的量子光源是國(guó)際上唯一同時(shí)具備高效率、高全同性（指粒子具有完全相同的屬性）、極高亮度和大規(guī)模擴(kuò)展能力的量子光源，再加上“高精度鎖相技術(shù)”的采樣，讓光源在自由空間和光纖中的抖動(dòng)控制在25nm之內(nèi)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽(yáng)曾形象地將這項(xiàng)技術(shù)描述為“50匹馬奔跑100公里，偏差路線的誤差小于一根頭發(fā)絲的直徑”?！熬耪隆彼捎玫母缮婕夹g(shù)和單光子檢測(cè)技術(shù)都達(dá)到了世界領(lǐng)先的水平，中科院上海微系統(tǒng)所甚至專(zhuān)門(mén)為這次原型機(jī)實(shí)驗(yàn)建造了一臺(tái)單光子檢測(cè)儀，而且計(jì)算性能的驗(yàn)證和比較都是以目前國(guó)內(nèi)第一的“神威太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，可以說(shuō)是拿出了目前國(guó)內(nèi)超級(jí)計(jì)算和量子計(jì)算的最強(qiáng)實(shí)力。

玻色采樣計(jì)算專(zhuān)用，缺乏通用計(jì)算能力

雖然從數(shù)據(jù)來(lái)看性能驚人，但問(wèn)題在于，包括“九章”在內(nèi)的量子計(jì)算機(jī)都只能做某一種特定的計(jì)算，完全沒(méi)有通用計(jì)算的能力，比如“九章”就只能計(jì)算高斯玻色采樣。

玻色采樣可以理解成一個(gè)量子世界的“打彈珠”的游戲，小球彈射到最上方后落下，每經(jīng)過(guò)一個(gè)阻擋物，都有一半的可能從左邊走，一半的可能從右邊走，當(dāng)有很多個(gè)小球從上往下隨機(jī)掉落時(shí)，落在下方的格子里的小球數(shù)量分布上會(huì)呈現(xiàn)一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。而玻色采樣也類(lèi)似，計(jì)算的就是n個(gè)全同玻色子經(jīng)過(guò)一個(gè)干涉儀后得到特定分布的輸出概率。例如，在一個(gè)7進(jìn)7出干涉儀的1、2、3口同時(shí)輸出3個(gè)全同玻色子，求3個(gè)光子在2、3、5口各輸出一個(gè)光子的分布概率，因此，高斯玻色采樣的本質(zhì)就是解決“光子是如何分布”這個(gè)問(wèn)題。

對(duì)于傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)而言，玻色采樣需要通過(guò)積和式矩陣來(lái)計(jì)算分布，計(jì)算難度呈2的n次方倍指數(shù)上升，n就是光子數(shù)量，所以對(duì)于這樣一個(gè)問(wèn)題，即便是中小規(guī)模的量子計(jì)算就能打敗超級(jí)計(jì)算機(jī)。

很關(guān)鍵的一點(diǎn)在于，玻色采樣的本質(zhì)其實(shí)是蒙特卡洛模擬。在人類(lèi)科技史上，模擬信號(hào)比數(shù)字信號(hào)出現(xiàn)要早很多，雖然數(shù)字信號(hào)憑借抗干擾能力強(qiáng)、差錯(cuò)可控、易加密、易存儲(chǔ)、易與現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合等優(yōu)勢(shì)，能在絕大多數(shù)領(lǐng)域壓過(guò)模擬信號(hào)，但模擬信號(hào)也有精度趨于無(wú)窮大、生成速度快的優(yōu)勢(shì)。比如計(jì)算兩個(gè)球體碰撞，模擬計(jì)算就只需要遵循真實(shí)物理現(xiàn)象各自彈開(kāi)即可，能夠非?？焖俚赝瓿蓪?shí)驗(yàn)，但對(duì)于過(guò)程所表現(xiàn)的具體數(shù)據(jù)卻無(wú)法計(jì)算、解釋。而數(shù)字計(jì)算則通過(guò)質(zhì)量、角度、速度、弧度、硬度等數(shù)據(jù)計(jì)算后才能得到碰撞全程的狀態(tài)，速度自然要慢很多。顯然，模擬計(jì)算適用于快速觀測(cè)最后的結(jié)果但無(wú)法獲取整個(gè)過(guò)程發(fā)生的數(shù)據(jù)，數(shù)字計(jì)算則恰恰相反。

所以，以“九章”“懸鈴木”等為代表的目前的量子計(jì)算機(jī)只能利用量子特性解決一些具體問(wèn)題，并不能像數(shù)字計(jì)算機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算，并且“九章”目前還不可編程，也就是只能進(jìn)行玻色采樣計(jì)算，而“懸鈴木”是可編程的，已經(jīng)在量子物理模擬、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，“九章”作為原型機(jī)，在這方面還需要繼續(xù)追趕。

量子計(jì)算機(jī)的“馬拉松”才剛剛開(kāi)始

因?yàn)楣庾颖旧砭褪遣Ｉ?，所以“九章”采用的光學(xué)平臺(tái)本身就適合做玻色采樣計(jì)算，而要在光學(xué)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算，還要解決高效率多光子糾纏的產(chǎn)生和探測(cè)、高分辨率量子門(mén)、規(guī)?；⒎€(wěn)定性等等問(wèn)題，而這些都不是小問(wèn)題，還有很長(zhǎng)的路需要走。

回歸到量子計(jì)算的本身，通常說(shuō)量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力是指“指數(shù)級(jí)或超指數(shù)級(jí)并行運(yùn)算能力”，以2個(gè)量子位為例，這2個(gè)量子位可以通過(guò)量子糾纏構(gòu)成4個(gè)信號(hào)存儲(chǔ)單元，能存儲(chǔ)4個(gè)數(shù)據(jù)，n個(gè)量子位能通過(guò)量子超距糾纏構(gòu)成2的n次方個(gè)信號(hào)存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)2的n次方個(gè)數(shù)據(jù)，通過(guò)操作量子門(mén)來(lái)改變這些數(shù)據(jù)，并且可以任意讀取出各個(gè)信號(hào)存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)。所以真正的量子計(jì)算機(jī)，一定是要談多少量子位，存儲(chǔ)多少個(gè)數(shù)據(jù)信息，讀取出哪些量子位上的數(shù)據(jù)。

而量子計(jì)算的計(jì)算能力超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，一定要是在明確給出數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程的情況下，量子計(jì)算機(jī)超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力，通過(guò)黑箱運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)的“超越”其實(shí)并不嚴(yán)謹(jǐn)。量子計(jì)算機(jī)的超距糾纏原理雖然目前還是說(shuō)不清道不明，但是基于此原理構(gòu)造的量子存儲(chǔ)和計(jì)算過(guò)程是清晰的，可以把每個(gè)數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程清晰地展示出來(lái)，所以它本質(zhì)上還是數(shù)字計(jì)算而不是模擬演化，但目前來(lái)看落地的量子計(jì)算項(xiàng)目距離這個(gè)目標(biāo)還有一定的距離，可以說(shuō)是“路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索”。

編輯觀點(diǎn)

量子科技作為我國(guó)“十四五”高新技術(shù)發(fā)展規(guī)劃布局里的重要組成部分，汲取第一代半導(dǎo)體時(shí)代的歷史經(jīng)驗(yàn)，抓好戰(zhàn)略布局提前量的思路毫無(wú)疑問(wèn)是正確的，雖然目前來(lái)看像“九章”等量子計(jì)算原型機(jī)在特定領(lǐng)域已經(jīng)表現(xiàn)出了強(qiáng)悍的性能，但從演示到實(shí)用落地還需要科學(xué)家們長(zhǎng)時(shí)間的努力。就像激光，最開(kāi)始人們對(duì)它也充斥著未知，但隨著研究的不斷深入，激光目前已經(jīng)深入應(yīng)用到了許多當(dāng)初完全意想不到的領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)想必也將經(jīng)歷這樣類(lèi)似的過(guò)程，未來(lái)可期。