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中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉、陸朝陽團(tuán)隊(duì)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(dá)到目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)的一百萬億倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過精典計(jì)算機(jī)。
這意味著中國(guó)科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”（），另一個(gè)說法是量子優(yōu)越性（），即在某個(gè)特定問題上的估算能力遠(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)未能完成估算。
上海時(shí)間12月4日下午，該工作在《科學(xué)》雜志在線發(fā)表，論文標(biāo)題為“用光子實(shí)現(xiàn)量子估算優(yōu)越性”（using）[1]。
“這是一個(gè)巨大的技術(shù)突破”，美國(guó)馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所理論部部長(zhǎng)伊格納西奧·西拉克（Cirac）表示，“遠(yuǎn)超其他高斯玻色取樣實(shí)驗(yàn)。
“我有點(diǎn)錯(cuò)愕，由于這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)極其困難”，佛羅里達(dá)學(xué)院奧斯汀校區(qū)的計(jì)算機(jī)科學(xué)院長(zhǎng)斯科特·亞倫森（Scott）在電郵中告訴《知識(shí)分子》。
光量子估算首次實(shí)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(guó)唐代最早的物理著作《九章算術(shù)》。
量子計(jì)算機(jī)可以解決一些超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(fù)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(jí)計(jì)算機(jī)的估算能力，適宜量子計(jì)算機(jī)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(lǐng)域第一個(gè)在物理上被嚴(yán)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(gè)光子的量子估算靶機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。具體來說，“九章”在一分鐘時(shí)間里完成了精典超級(jí)計(jì)算機(jī)一億年才會(huì)完成的任務(wù)。
2019年10月，日本化學(xué)學(xué)家John率領(lǐng)的微軟團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，她們開發(fā)的“懸鈴木”（）芯片采用超導(dǎo)量子估算，形成53個(gè)量子比特，聲稱能用200秒完成精典超級(jí)計(jì)算機(jī)大概一萬年才會(huì)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(tuán)隊(duì)今年早已實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，但這個(gè)概念極其重要，須要多個(gè)團(tuán)隊(duì)用多種技術(shù)重復(fù)去否認(rèn)，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(dǎo)線圈形成量子比特不同，潘建偉團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)用光子實(shí)現(xiàn)量子估算過程，大部份實(shí)驗(yàn)過程在常溫下進(jìn)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(gè)晶體上形成25個(gè)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(gè)壓電陶瓷上），步入干涉儀和彼此“對(duì)話”，最后的輸出結(jié)果由100個(gè)超導(dǎo)納面條單光子偵測(cè)器偵測(cè)量子通訊潘，最終有76個(gè)偵測(cè)器偵測(cè)到了光子。
“九章”實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
干涉儀中發(fā)生的“對(duì)話”過程，讓光子波在同時(shí)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(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)陸朝陽說，假如把這個(gè)系統(tǒng)比喻成彈珠機(jī)，光子就是其中的彈珠，這種手鏈本身是有“分身術(shù)”的，并且兩個(gè)完全相同的佛珠之間會(huì)有“鬼魅般的”相互作用，相遇的話一定會(huì)一起從同一個(gè)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(gè)突破，多少技術(shù)革新？
在紐約學(xué)院院長(zhǎng)史蒂夫·弗拉米亞（Steve）看來，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)最大的亮點(diǎn)是通過技術(shù)改進(jìn)達(dá)到的實(shí)驗(yàn)規(guī)模（scale）?！翱吹竭@份論文的摘要時(shí)，我的第一個(gè)反應(yīng)是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的規(guī)模是無法置信的”，他在電郵中告訴《知識(shí)分子》?！?0個(gè)壓縮態(tài)步入100模式的干涉儀？簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)室，當(dāng)時(shí)他和陸朝陽都還是中學(xué)生。他當(dāng)時(shí)早已對(duì)陸朝陽表現(xiàn)下來的學(xué)術(shù)潛力印象深刻?！巴瑢W(xué)們都曉得陸朝陽將會(huì)作出特別優(yōu)秀的工作?！?span style="display:none">SJ6物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
這次實(shí)驗(yàn)非一蹴而就。2017年，潘建偉、陸朝陽團(tuán)隊(duì)建立了世界首臺(tái)趕超初期精典計(jì)算機(jī)的單光子量子計(jì)算機(jī)，2019年則實(shí)現(xiàn)了輸入20個(gè)光子、探測(cè)14個(gè)光子的量子估算。“當(dāng)時(shí)國(guó)際上基本上在做大約3到4個(gè)光子”，陸朝陽說，“我們2019年的這個(gè)工作早已讓國(guó)際十分驚訝了。”
陸朝陽在量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)難度極大[3]。“看起來她們似乎碰到了10-20個(gè)光子的門檻。”他對(duì)《知識(shí)分子》說。
陸朝陽介紹，這次實(shí)驗(yàn)突破這一門檻的關(guān)鍵，不僅采用高速玻色取樣這一新模型，還有多項(xiàng)重要技術(shù)革新。
首先，實(shí)驗(yàn)采用的量子光源是國(guó)際上惟一同時(shí)具備高效率、高全同性（指粒子具有完全相同的屬性）、極高色溫和大規(guī)模擴(kuò)充能力的量子光源。
“（光源的）這種指標(biāo)相互影響、此消彼長(zhǎng)，要同時(shí)保證所有指標(biāo)，如同是讓很多只貓排排坐，要同時(shí)捉住它們?！标懗栒f。
其次，“高精度鎖相技術(shù)”將光源在自由空間和光纖中的光程晃動(dòng)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(dāng)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(shí)驗(yàn)在干涉技術(shù)和單光子偵測(cè)技術(shù)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(shí)驗(yàn)建造了一臺(tái)高性能單光子偵測(cè)儀。
這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)估算驗(yàn)證和速率比較在國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心研發(fā)的“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)上完成。
未來屬于誰：
超導(dǎo)量子估算還是光量子估算？
超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)和光子量子計(jì)算機(jī)，那個(gè)在估算能力上潛力更大？
“盡管此次的結(jié)果極好，我還是懷疑光子量子估算能夠在遠(yuǎn)期和其他量子估算技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。”弗拉米亞說。
通用量子計(jì)算機(jī)指的是可解決所有估算問題的計(jì)算機(jī)。“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?！斑z憾的是，每位我們關(guān)心的估算問題都和這個(gè)玻色取樣問題沒有關(guān)系，”弗拉米亞說，“比如我們可能關(guān)心客車怎么選擇最有效率的路線送貨，或則關(guān)心如何樣預(yù)測(cè)一個(gè)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?！?span style="display:none">SJ6物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
他覺得，潘和陸的工作更有可能幫助構(gòu)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(dǎo)致一個(gè)通用量子計(jì)算機(jī)，“谷歌采取的超導(dǎo)量子比特有通用的優(yōu)勢(shì)（假如有足夠的量子比特且持續(xù)時(shí)間夠長(zhǎng)才能做任何運(yùn)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(tuán)隊(duì)早已充分意識(shí)到這一點(diǎn)而且正在努力。”
亞倫森說，與微軟的實(shí)驗(yàn)相比，“九章”的優(yōu)勢(shì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可能形式，量子計(jì)算機(jī)的狀態(tài)空間越大，精典計(jì)算機(jī)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?yàn)楣庾颖瘸瑢?dǎo)量子比特的相干時(shí)間（times）更長(zhǎng)，一些科學(xué)家相信這些系統(tǒng)最終可能會(huì)比超導(dǎo)量子比特更好達(dá)到規(guī)模估算的目標(biāo)。
距離應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？
量子估算由演示轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用，仍需科學(xué)父母時(shí)間的努力。雖然是像微軟“懸鈴木”這樣的通用量子計(jì)算機(jī)，也尚不能解決人們關(guān)心的實(shí)際問題。
弗拉米亞覺得，距離通用量子估算的實(shí)現(xiàn)還須要好多年。“我預(yù)測(cè)，在個(gè)別特殊的現(xiàn)實(shí)世界問題上，未來三年內(nèi)似乎能有一些小進(jìn)步，但我想那些問題吸引的主要還是科學(xué)家?！?span style="display:none">SJ6物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
“谷歌和潘建偉的實(shí)驗(yàn)，或其他量子模擬實(shí)驗(yàn)，提示了我們視線外隱藏著哪些，然而抵達(dá)哪里還有很長(zhǎng)的路要走”，希拉克說，“但這種實(shí)驗(yàn)讓我們對(duì)行路飽含豁達(dá)。”
“我們希望這個(gè)工作才能迸發(fā)更多的精典算法模擬方面的工作，也預(yù)計(jì)將來會(huì)有提高的空間”，陸朝陽說，“量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)并不是一個(gè)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(jìng)爭(zhēng)，但最終量子并行性會(huì)形成精典計(jì)算機(jī)難以企及的算力。”
陸朝陽覺得，如同人們對(duì)激光的認(rèn)識(shí)，從最初實(shí)驗(yàn)室里的工具到許多意想不到的領(lǐng)域中的應(yīng)用，量子計(jì)算機(jī)似乎會(huì)遵守相像的路徑。
“在七年內(nèi)，控制數(shù)百到數(shù)萬個(gè)量子比特的技術(shù)將成為現(xiàn)實(shí)”，他說，“因此形成的量子模擬器和專用量子計(jì)算機(jī)或?qū)⒊蔀榛瘜W(xué)學(xué)家、化學(xué)家和工程師在材料應(yīng)用和抗生素設(shè)計(jì)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]