路漫漫其修遠兮

薛山

光學量子計算的突破

中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽團隊構建的一套光量子計算系統，最近在高斯玻色采樣（Gaussian Boson Sampling）問題上取得重要突破，求解速度達到目前全球最快的超級計算機的一百萬億倍，遠遠超過經典計算機，該研究成果于北京時間2020年12月4日凌晨在《科學》雜志在線發表，論文標題為 “用光子實現量子計算優越性”（Quantum computational advantage using photons）。這意味著中國科學家首次實現了 “在某個特定問題上的計算能力遠超現有最強的傳統計算機，而傳統計算機在有限時間內無法完成計算”的量子優越性。

在本研究中，潘建偉和同事們構建了76個光子的量子計算原型機 “九章”，實現了高斯玻色采樣的快速求解，“九章”在對5000萬個樣本采樣的情況下，200秒就能完成計算，而目前全球最快的超級計算機“富岳”則要花費6億年之久。如果單純以計算時間進行對比，“九章”的計算速度甚至是去年谷歌“懸鈴木”的100億倍之多，但“懸鈴木”的計算位元使用的是超導量子，“九章”則是光量子，兩者的優化策略并不相同，計算內容也有一定的區別，因此這種對比其實意義不大。

而且與谷歌采用-273℃左右的超導線圈產生量子比特不同，潘建偉團隊用光子實現量子計算的大部分實驗過程可以在常溫下進行。他們將一束定制的激光分成強度相等的13條路徑，聚焦在25個晶體上產生25個特殊狀態的量子光源，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），進入干涉儀和彼此 “對話”，最后的輸出結果由100個超導納米線單光子探測器探測，最終有76個探測器探測到了光子。

實驗采用的量子光源是國際上唯一同時具備高效率、高全同性（指粒子具有完全相同的屬性）、極高亮度和大規模擴展能力的量子光源，再加上“高精度鎖相技術”的采樣，讓光源在自由空間和光纖中的抖動控制在25nm之內，中國科學技術大學教授陸朝陽曾形象地將這項技術描述為“50匹馬奔跑100公里，偏差路線的誤差小于一根頭發絲的直徑”。“九章”所采用的干涉技術和單光子檢測技術都達到了世界領先的水平，中科院上海微系統所甚至專門為這次原型機實驗建造了一臺單光子檢測儀，而且計算性能的驗證和比較都是以目前國內第一的“神威太湖之光”超級計算機為基礎，可以說是拿出了目前國內超級計算和量子計算的最強實力。

玻色采樣計算專用，缺乏通用計算能力

雖然從數據來看性能驚人，但問題在于，包括“九章”在內的量子計算機都只能做某一種特定的計算，完全沒有通用計算的能力，比如“九章”就只能計算高斯玻色采樣。

玻色采樣可以理解成一個量子世界的“打彈珠”的游戲，小球彈射到最上方后落下，每經過一個阻擋物，都有一半的可能從左邊走，一半的可能從右邊走，當有很多個小球從上往下隨機掉落時，落在下方的格子里的小球數量分布上會呈現一定的統計規律。而玻色采樣也類似，計算的就是n個全同玻色子經過一個干涉儀后得到特定分布的輸出概率。例如，在一個7進7出干涉儀的1、2、3口同時輸出3個全同玻色子，求3個光子在2、3、5口各輸出一個光子的分布概率，因此，高斯玻色采樣的本質就是解決“光子是如何分布”這個問題。

對于傳統的通用計算機而言，玻色采樣需要通過積和式矩陣來計算分布，計算難度呈2的n次方倍指數上升，n就是光子數量，所以對于這樣一個問題，即便是中小規模的量子計算就能打敗超級計算機。

很關鍵的一點在于，玻色采樣的本質其實是蒙特卡洛模擬。在人類科技史上，模擬信號比數字信號出現要早很多，雖然數字信號憑借抗干擾能力強、差錯可控、易加密、易存儲、易與現代技術結合等優勢，能在絕大多數領域壓過模擬信號，但模擬信號也有精度趨于無窮大、生成速度快的優勢。比如計算兩個球體碰撞，模擬計算就只需要遵循真實物理現象各自彈開即可，能夠非常快速地完成實驗，但對于過程所表現的具體數據卻無法計算、解釋。而數字計算則通過質量、角度、速度、弧度、硬度等數據計算后才能得到碰撞全程的狀態，速度自然要慢很多。顯然，模擬計算適用于快速觀測最后的結果但無法獲取整個過程發生的數據，數字計算則恰恰相反。

所以，以“九章”“懸鈴木”等為代表的目前的量子計算機只能利用量子特性解決一些具體問題，并不能像數字計算機那樣實現通用計算，并且“九章”目前還不可編程，也就是只能進行玻色采樣計算，而“懸鈴木”是可編程的，已經在量子物理模擬、量子化學、機器學習等領域進行應用，“九章”作為原型機，在這方面還需要繼續追趕。

量子計算機的“馬拉松”才剛剛開始

因為光子本身就是玻色子，所以“九章”采用的光學平臺本身就適合做玻色采樣計算，而要在光學平臺上實現通用量子計算，還要解決高效率多光子糾纏的產生和探測、高分辨率量子門、規模化、穩定性等等問題，而這些都不是小問題，還有很長的路需要走。

回歸到量子計算的本身，通常說量子計算機的計算能力是指“指數級或超指數級并行運算能力”，以2個量子位為例，這2個量子位可以通過量子糾纏構成4個信號存儲單元，能存儲4個數據，n個量子位能通過量子超距糾纏構成2的n次方個信號存儲單元，存儲2的n次方個數據，通過操作量子門來改變這些數據，并且可以任意讀取出各個信號存儲單元中的數據。所以真正的量子計算機，一定是要談多少量子位，存儲多少個數據信息，讀取出哪些量子位上的數據。

而量子計算的計算能力超過經典計算機的計算能力，一定要是在明確給出數據計算過程的情況下，量子計算機超過經典計算機的能力，通過黑箱運算來實現的“超越”其實并不嚴謹。量子計算機的超距糾纏原理雖然目前還是說不清道不明，但是基于此原理構造的量子存儲和計算過程是清晰的，可以把每個數據的計算過程清晰地展示出來，所以它本質上還是數字計算而不是模擬演化，但目前來看落地的量子計算項目距離這個目標還有一定的距離，可以說是“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”。

編輯觀點

量子科技作為我國“十四五”高新技術發展規劃布局里的重要組成部分，汲取第一代半導體時代的歷史經驗，抓好戰略布局提前量的思路毫無疑問是正確的，雖然目前來看像“九章”等量子計算原型機在特定領域已經表現出了強悍的性能，但從演示到實用落地還需要科學家們長時間的努力。就像激光，最開始人們對它也充斥著未知，但隨著研究的不斷深入，激光目前已經深入應用到了許多當初完全意想不到的領域，量子計算機想必也將經歷這樣類似的過程，未來可期。