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中國科學技術學院潘建偉、陸朝陽團隊建立的一套光量子估算系統(tǒng)，近來在高斯玻色取樣（Boson）問題上取得重要突破，求解速率達到目前全球最快的超級計算機的一百萬億倍，遠遠超過精典計算機。
這意味著中國科學家首次實現(xiàn)“量子霸權”（），另一個說法是量子優(yōu)越性（），即在某個特定問題上的估算能力遠超現(xiàn)有最強的傳統(tǒng)計算機，而傳統(tǒng)計算機在有限時間內(nèi)未能完成估算。
上海時間12月4日下午，該工作在《科學》雜志在線發(fā)表，論文標題為“用光子實現(xiàn)量子估算優(yōu)越性”（using）[1]。
“這是一個巨大的技術突破”，美國馬克斯·普朗克量子光學研究所理論部部長伊格納西奧·西拉克（Cirac）表示，“遠超其他高斯玻色取樣實驗。
“我有點錯愕，由于這項實驗極其困難”，佛羅里達學院奧斯汀校區(qū)的計算機科學院長斯科特·亞倫森（Scott）在電郵中告訴《知識分子》。
光量子估算首次實現(xiàn)量子估算優(yōu)越性
潘建偉將該光量子估算系統(tǒng)命名為“九章”，借以記念中國唐代最早的物理著作《九章算術》。
量子計算機可以解決一些超出傳統(tǒng)計算機估算能力的問題量子通訊潘，“九章”解決的“高斯玻色取樣”問題就是一種。
“高斯玻色取樣”是一種復雜的取樣估算，其估算難度呈指數(shù)下降，很容易超出目前超級計算機的估算能力，適宜量子計算機來探求解決。它是“玻色取樣”問題的一種，而玻色取樣問題是量子信息領域第一個在物理上被嚴格證明可以拿來演示量子估算加速的算法。
在本研究中，潘建偉和朋友們建立了76個光子的量子估算靶機“九章”，實現(xiàn)了“高斯玻色取樣”任務的快速求解。具體來說，“九章”在一分鐘時間里完成了精典超級計算機一億年才會完成的任務。
2019年10月，日本化學學家John率領的微軟團隊實現(xiàn)“量子霸權”，她們開發(fā)的“懸鈴木”（）芯片采用超導量子估算，形成53個量子比特，聲稱能用200秒完成精典超級計算機大概一萬年才會完成的估算。[2]
作為高斯玻色取樣的共同提出者，亞倫森表示，雖然微軟的團隊今年早已實現(xiàn)“量子霸權”，但這個概念極其重要，須要多個團隊用多種技術重復去否認，為此他十分高興見到此次的成果。
與微軟采用零下273攝氏度左右的超導線圈形成量子比特不同，潘建偉團隊的實驗用光子實現(xiàn)量子估算過程，大部份實驗過程在常溫下進行。她們將一束訂制的激光分成硬度相等的13條路徑，聚焦在25個晶體上形成25個特殊狀態(tài)的量子光源，光源通過2米自由空間和20米光纖（其中5米纏繞在一個壓電陶瓷上），步入干涉儀和彼此“對話”，最后的輸出結果由100個超導納面條單光子偵測器偵測量子通訊潘，最終有76個偵測器偵測到了光子。
“九章”實驗裝置示意圖
干涉儀中發(fā)生的“對話”過程，讓光子波在同時同地完美重合，使光子表現(xiàn)出精典世界不存在的量子干涉現(xiàn)象。
該研究的通信作者之一、中國科學技術學院院長陸朝陽說，假如把這個系統(tǒng)比喻成彈珠機，光子就是其中的彈珠，這種手鏈本身是有“分身術”的，并且兩個完全相同的佛珠之間會有“鬼魅般的”相互作用，相遇的話一定會一起從同一個門跑出去。
本論文的第一作者均為80后，鐘翰森（左圖后座左5）為95年出生，王輝（下圖后排左二）是91年出生，陳明城（下圖后座左4）為90年，最小的是97年的鄧宇皓（左圖后座左1）。本圖由受訪者提供。
一個突破，多少技術革新？
在紐約學院院長史蒂夫·弗拉米亞（Steve）看來，這項實驗最大的亮點是通過技術改進達到的實驗規(guī)模（scale）。“看到這份論文的摘要時，我的第一個反應是這個實驗的規(guī)模是無法置信的”，他在電郵中告訴《知識分子》。“50個壓縮態(tài)步入100模式的干涉儀？簡直不可思議！”
弗拉米亞在2005年夏季訪問過潘建偉在南京的實驗室，當時他和陸朝陽都還是中學生。他當時早已對陸朝陽表現(xiàn)下來的學術潛力印象深刻。“同學們都曉得陸朝陽將會作出特別優(yōu)秀的工作。”
這次實驗非一蹴而就。2017年，潘建偉、陸朝陽團隊建立了世界首臺趕超初期精典計算機的單光子量子計算機，2019年則實現(xiàn)了輸入20個光子、探測14個光子的量子估算。“當時國際上基本上在做大約3到4個光子”，陸朝陽說，“我們2019年的這個工作早已讓國際十分驚訝了。”
陸朝陽在量子光學實驗室，攝影:H.-T.Guo，2020年8月
一年前，亞倫森覺得再突破很難，由于實驗難度極大[3]。“看起來她們似乎碰到了10-20個光子的門檻。”他對《知識分子》說。
陸朝陽介紹，這次實驗突破這一門檻的關鍵，不僅采用高速玻色取樣這一新模型，還有多項重要技術革新。
首先，實驗采用的量子光源是國際上惟一同時具備高效率、高全同性（指粒子具有完全相同的屬性）、極高色溫和大規(guī)模擴充能力的量子光源。
“（光源的）這種指標相互影響、此消彼長，要同時保證所有指標，如同是讓很多只貓排排坐，要同時捉住它們。”陸朝陽說。
其次，“高精度鎖相技術”將光源在自由空間和光纖中的光程晃動控制在25納米之內(nèi)。陸朝陽以奔跑的50匹馬做比喻，他表示這相當于它們跑過100公里的距離，但偏離路線的偏差大于一根毛發(fā)絲的半徑。
據(jù)悉，實驗在干涉技術和單光子偵測技術上都做到了極高的精度。其中，中科院武漢微系統(tǒng)所專門為實驗建造了一臺高性能單光子偵測儀。
這項實驗的傳統(tǒng)估算驗證和速率比較在國家并行計算機工程技術研究中心研發(fā)的“神威·太湖之光”超級計算機上完成。
未來屬于誰：
超導量子估算還是光量子估算？
超導量子計算機和光子量子計算機，那個在估算能力上潛力更大？
“盡管此次的結果極好，我還是懷疑光子量子估算能夠在遠期和其他量子估算技術競爭。”弗拉米亞說。
通用量子計算機指的是可解決所有估算問題的計算機。“九章”目前還不能通用于玻色取樣以外的其他估算，不具通用性。“遺憾的是，每位我們關心的估算問題都和這個玻色取樣問題沒有關系，”弗拉米亞說，“比如我們可能關心客車怎么選擇最有效率的路線送貨，或則關心如何樣預測一個特定分子的性質(zhì)以用于物理或醫(yī)療。研究人員覺得玻色取樣不能幫助解決那些重要問題。”
他覺得，潘和陸的工作更有可能幫助構建量子通訊網(wǎng)路和量子互聯(lián)網(wǎng)。
而亞倫森覺得，未來也許可以將九章改導致一個通用量子計算機，“谷歌采取的超導量子比特有通用的優(yōu)勢（假如有足夠的量子比特且持續(xù)時間夠長才能做任何運算），而估算玻色取樣須要加入新的資源來獲得通用性……我相信潘的團隊早已充分意識到這一點而且正在努力。”
亞倫森說，與微軟的實驗相比，“九章”的優(yōu)勢在于它形成的狀態(tài)空間（statespace）大得多，這是由于光子的振幅（）更多。狀態(tài)空間指的是配置計算機系統(tǒng)的可能形式，量子計算機的狀態(tài)空間越大，精典計算機要完成相同的估算就越難。[4]
微軟“懸鈴木”產(chǎn)生的狀態(tài)空間約為10的16次方，而這次“九章”產(chǎn)生的狀態(tài)空間約為10的30次方。
亞倫森還表示，因為光子比超導量子比特的相干時間（times）更長，一些科學家相信這些系統(tǒng)最終可能會比超導量子比特更好達到規(guī)模估算的目標。
距離應用還有多遠？
量子估算由演示轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應用，仍需科學父母時間的努力。雖然是像微軟“懸鈴木”這樣的通用量子計算機，也尚不能解決人們關心的實際問題。
弗拉米亞覺得，距離通用量子估算的實現(xiàn)還須要好多年。“我預測，在個別特殊的現(xiàn)實世界問題上，未來三年內(nèi)似乎能有一些小進步，但我想那些問題吸引的主要還是科學家。”
“谷歌和潘建偉的實驗，或其他量子模擬實驗，提示了我們視線外隱藏著哪些，然而抵達哪里還有很長的路要走”，希拉克說，“但這種實驗讓我們對行路飽含豁達。”
“我們希望這個工作才能迸發(fā)更多的精典算法模擬方面的工作，也預計將來會有提高的空間”，陸朝陽說，“量子優(yōu)越性實驗并不是一個一蹴而就的工作，而是更快的精典算法和不斷提高的量子估算硬件之間的競爭，但最終量子并行性會形成精典計算機難以企及的算力。”
陸朝陽覺得，如同人們對激光的認識，從最初實驗室里的工具到許多意想不到的領域中的應用，量子計算機似乎會遵守相像的路徑。
“在七年內(nèi)，控制數(shù)百到數(shù)萬個量子比特的技術將成為現(xiàn)實”，他說，“因此形成的量子模擬器和專用量子計算機或?qū)⒊蔀榛瘜W學家、化學家和工程師在材料應用和抗生素設計方面的重要工具。”
參考資料：
[1]H.-S.Zhongetal.,10.1126/.(2020).
[2]Arute,F.,Arya,K.,,R.etal.usinga.574,505–510(2019).
[3]
[4]