200秒只是短短剎那，6億年已經(jīng)是滄海桑田。12月4日，中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院宣布該校潘建偉等人成功建立76個光子的量子估算靶機(jī)“九章”，求解物理算法高斯玻色采樣只需200秒，而目前世界最快的超級計算機(jī)要用6億年。這一突破使我國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。
01
從6億年到200秒
“量子優(yōu)越性像個門檻，是指當(dāng)新生的量子估算截?fù)魴C(jī)，在某個問題上的估算能力超過了最強(qiáng)的傳統(tǒng)計算機(jī)，就證明其未來有多方趕超的可能。”中科大院士陸朝陽說，多年來國際學(xué)界高度關(guān)注、期待這個里程碑式轉(zhuǎn)折點到來。
今年9月，加拿大微軟公司推出53個量子比特的計算機(jī)“懸鈴木”，對一個物理算法的估算只需200秒，而當(dāng)時世界最快的超級計算機(jī)“頂峰”需2天，實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。
近日，潘建偉團(tuán)隊與中科院北京微系統(tǒng)所、國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功打造76個光子的量子估算靶機(jī)“九章”。
實驗顯示，當(dāng)求解5000萬個樣本的高斯玻色采樣時，“九章”需200秒，而目前世界最快的超級計算機(jī)“富岳”需6億年。等效來看，“九章”的估算速率比“懸鈴木”快100億倍，并填補(bǔ)了“懸鈴木”依賴樣本數(shù)目的技術(shù)漏洞。
此外，潘建偉團(tuán)隊此次突破歷經(jīng)20年，主要攻破高品質(zhì)光子源、高精度鎖相、規(guī)模化干涉三大技術(shù)困局。
“比如說，我們每次喝下一哈喇子很容易，但每次喝下一個水份子很困難。”潘建偉說，光子源要保證每次只放出1個光子，且每位光子一模一樣，這是巨大挑戰(zhàn)。同時，鎖相精度要在10的負(fù)9次方以內(nèi)，相當(dāng)于100公里距離的傳輸偏差不能超過一根毛發(fā)半徑。
與通用計算機(jī)相比，“九章”還只是“單項季軍”。但其強(qiáng)悍算力，在數(shù)論、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子物理等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。
12月4日，國際學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)》發(fā)表了該成果，審稿人評價這是“一個最先進(jìn)的實驗”、“一個重大成就”。
02
邁向量子優(yōu)越性的門檻
量子估算優(yōu)越性（美國稱作之為“量子霸權(quán)”），量子計算機(jī)在原理上具有超快的并行估算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟(jì)價值的問題方面（如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計、藥物剖析等）相比精典計算機(jī)實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。
“九章”量子估算靶機(jī)光路系統(tǒng)原理圖
左上方激光系統(tǒng)形成高峰值功率皮秒脈沖；左方25個光源通過熱阻下轉(zhuǎn)換過程形成50路多模壓縮態(tài)輸入到右方100模式光量子干涉網(wǎng)路;最后借助100個高效率超導(dǎo)單光子偵測器對干涉儀輸出光量子態(tài)進(jìn)行偵測。
制圖：陸朝陽，彭禮超
當(dāng)前，研發(fā)量子計算機(jī)已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一，成為歐美各發(fā)達(dá)國家爭奪的焦點。對于量子計算機(jī)的研究，本領(lǐng)域的國際同行公認(rèn)有三個指標(biāo)性的發(fā)展階段：
第一階段：發(fā)展具備50-100個量子比特的高精度專用量子計算機(jī)，對于一些超級計算機(jī)難以解決的高復(fù)雜度特定問題實現(xiàn)高效求解，實現(xiàn)估算科學(xué)中“量子估算優(yōu)越性”的里程碑。
第二階段：通過對規(guī)模化多體量子體系的精確制備、操控與偵測，研發(fā)可相干操縱數(shù)百個量子比特的量子模擬機(jī)，用于解決若干超級計算機(jī)難以勝任的具有重大實用價值的問題（如量子物理、新材料設(shè)計、優(yōu)化算法等）。
第三階段：通過積累在專用量子估算與模擬機(jī)的研發(fā)過程中發(fā)展上去的各類技術(shù)，提升量子比特的操縱精度使之達(dá)到能趕超量子估算嚴(yán)苛的容錯閥值（>99.9%），大幅度提升可集成的量子比特數(shù)量（百萬量級），實現(xiàn)容錯量子邏輯門，研發(fā)可編程的通用量子估算靶機(jī)。
潘建偉團(tuán)隊仍然在光量子信息處理方面處于國際領(lǐng)先水平。2017年，該團(tuán)隊建立了世界首臺趕超初期精典計算機(jī)（ENIAC）的光量子估算截?fù)魴C(jī)。2019年，團(tuán)隊進(jìn)一步研發(fā)了確定性偏振光、高含量、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色采樣，輸出復(fù)雜度相當(dāng)于48個量子比特的希爾伯特態(tài)空間，迫近了“量子估算優(yōu)越性”。
光量子干涉實物圖
左下方為輸入光學(xué)部份，右下方為鎖相光路，上方共輸出100個光學(xué)模式，分別通過低耗損多模光纖與100超導(dǎo)單光子偵測器聯(lián)接。
攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓
近日，該團(tuán)隊通過自主研發(fā)同時具備高效率、高全同性、極高色溫和大規(guī)模擴(kuò)充能力的量子光源，同時滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機(jī)矩陣、波包重合度優(yōu)于99.5%、通過率優(yōu)于98%的100模式干涉線路，相對光程10-9以內(nèi)的鎖相精度，高效率100通道超導(dǎo)納拉面單光子偵測器，成功建立了76個光子100個模式的高斯玻色采樣量子估算靶機(jī)“九章”（命名為“九章”是為了記念中國唐代最早的語文著作《九章算術(shù)》）。
100模式相位穩(wěn)定干涉儀
光量子干涉裝置集成在20cm*20cm的超低膨脹穩(wěn)定襯底玻璃上,用于實現(xiàn)50路多模壓縮態(tài)間的兩兩干涉，并高精度地鎖定任意兩路光束間的相位。
攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓
按照目前最優(yōu)的精典算法，“九章”對于處理高斯玻色采樣的速率比目前世界排行第一的超級計算機(jī)“富岳”快一百萬億倍，等效地比微軟今年發(fā)布的53比特量子估算靶機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。同時，通過高斯玻色采樣證明的量子估算優(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)目，克服了微軟53比特隨機(jī)線路采樣實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)目的漏洞。“九章”輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)到了1030（“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)模是1016，目前全世界的儲存容量是1022）。
該成果牢靠確立了我國在國際量子估算研究中的第一方陣地位，為未來實現(xiàn)可解決具有重大實用價值問題的規(guī)模化量子模擬機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。據(jù)悉，基于“九章號”量子估算靶機(jī)的高斯玻色采樣算法在數(shù)論、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子物理等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。
光量子干涉示意圖
制圖：文樂，羅弋涵
02
前途無量的量子估算
量子估算()是一種遵守量子熱學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行估算的新型估算模式，即借助量子疊加和糾纏等化學(xué)特點，以微觀粒子構(gòu)成的量子比特為基本單元，通過量子態(tài)的受控演變實現(xiàn)估算處理。對照于傳統(tǒng)的通用計算機(jī)，其理論模型是通用圖靈機(jī)；而通用的量子計算機(jī)，其理論模型即是藥量子力學(xué)規(guī)律重新演繹的通用圖靈機(jī)。
1982年，澳洲知名化學(xué)學(xué)家理查德·費曼院士提出了量子估算的概念，并強(qiáng)調(diào)以量子熱學(xué)為基礎(chǔ)的計算機(jī)在處理特定問題時，具有遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計算機(jī)的能力優(yōu)勢。90年代先后誕生了知名的Shor分解算法、搜索算法等，為后來量子估算技術(shù)的發(fā)展奠定了重要的理論基礎(chǔ)與實踐基石。
量子估算的主要原理就是借助了量子態(tài)的疊加性和糾纏性。比特作為估算的基本信息處理單元，具有0和1兩種邏輯態(tài)，且在精典估算模式只能處于0或1的一種，而量子比特卻還能處于0和1的疊加態(tài)。換言之，每位精典儲存器僅能儲存0或1其中一個，而量子儲存器卻能同時儲存0和1。
量子熱學(xué)態(tài)疊加原理促使量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)，進(jìn)而造成量子信息處理從效率上相比于精典信息處理具有更大潛力和更重要作用。為此，量子估算領(lǐng)域近些年異常熱鬧，許多科研機(jī)構(gòu)都已涉足量子估算領(lǐng)域，并取得了令人鼓舞的成就。
在量子估算賽道，微軟、微軟、英特爾等國外科技企業(yè)擁有先發(fā)優(yōu)勢，通過不同技術(shù)路徑不斷實現(xiàn)對更多量子比特的操縱。2019年10月，微軟研究人員宣稱，基于一個包含54個量子比特的量子芯片開發(fā)了量子估算系統(tǒng)；該系統(tǒng)只用了約200秒就完成了傳統(tǒng)計算機(jī)大概須要1萬年才會完成的任務(wù)。
IBM首席執(zhí)行官表示，他的公司的顧客最早可以在2023年使用量子估算技術(shù)并獲得優(yōu)厚的利潤。
04
深受好評的重磅研究成果
中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院新聞中心在督查專家?guī)斓幕A(chǔ)上，就這個工作以視頻或則文字的方式專訪了多位美國相關(guān)領(lǐng)域的院士，包括多位沃爾夫獎獲得者，英國科大學(xué)教授等資深專家。讓我們一上去聽聽她們的評價吧！
日本馬普所校長沃爾夫獎得主富蘭克林獎狀得主Cirac：
總體來說，這是量子科技領(lǐng)域的一個重大突破，朝著研發(fā)相比精典計算機(jī)具有量子優(yōu)勢的量子設(shè)備邁出了一大步。我相信這項成果背后付出了巨大的技術(shù)努力。潘院士的團(tuán)隊在世界上獨一無二的量子傳輸實物量子傳輸實物，她們形成了包括這個實驗在內(nèi)的好多重大成果。
法國科大學(xué)教授沃爾夫獎得主法國科大學(xué)教授Anton：
這項工作成果很重要，由于潘建偉和他的朋友證明，基于光子（光的粒子）的量子計算機(jī)也可能實現(xiàn)“量子估算優(yōu)越性”。我預(yù)測很有可能有朝一日量子計算機(jī)會被廣泛使用。甚至每位人都可以使用。
麻省理工大學(xué)副院長德國青年科學(xué)家首相獎得主斯隆獎得主Dirk：
這是一個劃時代的成果。這是一個了不起的成就。這是開發(fā)這種小型量子計算機(jī)的里程碑。
維也納學(xué)院院長德國化學(xué)學(xué)會會士：
她們在實驗中領(lǐng)到了目前最強(qiáng)精典計算機(jī)萬億年能夠給出的估算結(jié)果，為量子計算機(jī)的強(qiáng)悍能力給出了強(qiáng)有力的證明。
日本卡爾加里學(xué)院院長量子科學(xué)和技術(shù)研究所主任Barry：
我覺得這是一項杰出的工作，改變了當(dāng)前的格局(it’sthegame)。我們?nèi)匀慌ψC明量子信息處理可以擊敗精典的信息處理。這個實驗使精典計算機(jī)望塵莫及。
今年，微軟取得了一項巨大的成果，即量子估算優(yōu)越性，但這是有爭議的。微軟的結(jié)果是，她們擁有一臺量子計算機(jī)，其性能比其他任何精典計算機(jī)都要好。之后，IBM對此提出相反的論據(jù)：她們并未完全實現(xiàn)。指責(zé)是否真正的達(dá)到了量子估算優(yōu)越性。
這個實驗（潘建偉教授團(tuán)隊的實驗）不存在爭辯，毫無疑惑，該實驗取得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)器的模擬能力。
我想說的是，這個實驗技術(shù)挑戰(zhàn)十分巨大。為了獲得此結(jié)果，她們必須解決許多十分困難的技術(shù)問題。僅僅在技術(shù)層面上，她們所取得的成就也令人印象深刻。這是人們夢寐以求的實驗，她們弄成了，讓夢想走入現(xiàn)實。
格拉斯哥學(xué)院院長TimRalph：
我相信潘院士和陸院士團(tuán)隊的論文是一個重大突破。這是一個真正的“英雄”實驗，將實驗各個方面的技術(shù)推動到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原先的水平。該設(shè)備的規(guī)模是非凡的：100模式干涉儀、25個壓縮器提供輸入的量子態(tài)、使用100個單光子偵測器進(jìn)行偵測，而且實現(xiàn)了同時保持高效率，穩(wěn)定性和量子不可區(qū)分性——這都是展示量子估算優(yōu)越性所必須的。
日本科大學(xué)教授沃爾夫獎得主狄拉克獎狀得主Peter：
借助量子元件來解決日漸復(fù)雜的問題并彰顯量子優(yōu)勢是量子科學(xué)前沿中的最重要問題之一。陸朝陽、潘建偉和朋友們基于光子進(jìn)行的高斯玻骰子取樣實驗，無論是在量子系統(tǒng)的大小和擴(kuò)充性方面，還是在實際應(yīng)用的前景方面，都把研究水平提高到了一個新的高度。
日本皇家理工大學(xué)院士Val：
知名的中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院團(tuán)隊報導(dǎo)的量子估算優(yōu)越性的工作為量子科學(xué)樹立了一個新的重要里程碑，由于一個重要的量子優(yōu)勢清楚地證明了其量子處理器的表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于超級計算機(jī)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，她們克服了重大的技術(shù)挑戰(zhàn)，進(jìn)而形成、操縱和偵測特別大尺度的光量子態(tài)。
日本哈佛學(xué)院院長布魯克海文國家實驗室量子優(yōu)勢合作設(shè)計中心院長英國藝術(shù)和科大學(xué)教授高盛獎獲得者：
這是一個非常困難的，須要付出很大的努力來建立的工作。對此我印象十分深刻，我覺得這是我們控制量子系統(tǒng)能力的重要技術(shù)進(jìn)步。
美國劍橋?qū)W院院士美國數(shù)學(xué)學(xué)會托馬斯.楊獎狀獲得者M(jìn)ete：
對于量子估算這個蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域來說，這確實是一個震撼的時刻。陸院士和潘院士的這一成就將光子和以基于光子的量子技術(shù)放在世界舞臺中央。通過這項工作，我們步入了量子技術(shù)應(yīng)用的時代，與傳統(tǒng)方式相比，我們?nèi)〉昧丝捎|碰的優(yōu)越性。
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番外閱讀：《九章算術(shù)》
《九章算術(shù)》是中國唐代張蒼、耿壽昌所撰寫的一部語文著作。是《算經(jīng)十書》中最重要的一部，成于公元一世紀(jì)左右。其作者已不可考。通常覺得它是經(jīng)歷代各家的增補(bǔ)修訂，而漸漸成為現(xiàn)在定本的，漢代的張蒼、耿壽昌以前做過增補(bǔ)和整理，其時大體已成定本。最后成書最遲在漢代前期，現(xiàn)在留傳的大多是在三國時期魏元名郡元四年（263年），劉徽為《九章》所作的注本。
《九章算術(shù)》內(nèi)容非常豐富，全書總結(jié)了戰(zhàn)國、秦、漢時期的物理成就。同時，《九章算術(shù)》在物理上還有其獨特的成就，除了最早提及分?jǐn)?shù)問題，也首先記錄了盈不足等問題，《方程》章還在世界物理史上首次詳述了正數(shù)及其加減運算法則。
它是一本綜合性的歷史專著，是當(dāng)時世界上最簡潔有效的應(yīng)用物理，它的出現(xiàn)標(biāo)志中國唐代物理產(chǎn)生了完整的體系。
（編輯：張毅，稿件資料來源：新華社、中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院、中國科技新聞網(wǎng)、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院等）