76 个光子、不依赖于样本数量！刚刚，潘建伟团队实现 “量子计算优越性” 里程碑。
北京时间 12 月 4 日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队，在 Science 刊发研究成果《使用光子的量子计算优势》（Quantum computational advantage using photons），该研究也得到了 Nature、NewScientist、Physics World 等媒体的报道。
陆朝阳告诉 DeepTech：“该研究的大主题已经研究 20 年左右，具体从 2013 年开始。本次研究共有二十位左右研究人员参与，四位第一作者都是 90后。而谷歌的同类研究则有一百位左右研究人员参与。”
该团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建出 76 个光子 100 个模式的高斯玻色取样量子计算原型机 “九章”，实现了 “高斯玻色取样” 任务的快速求解，而 “九章”的命名旨在纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。
“九章” 处理高斯玻色取样的速度，比目前最快的超级计算机快一百万亿倍，比谷歌超导比特量子计算原型机 “悬铃木” 快一百亿倍。
举例来说，在室温下运行并计算玻色采样问题，同样处理 100 亿个样本，“九章” 需要 10 小时，超级计算机需要 1200 亿年，“悬铃木” 则需 20 天。
陆朝阳表示：“虽然‘九章’和‘悬铃木’分别被设计用来处理不同问题，但如果都和超算比的话，‘九章’等效地比‘悬铃木’快了一百亿倍，且克服了样本数量依赖的缺陷。” 在输出量子态空间规模上，“九章” 可达到 1030，不仅超出目前全世界的存储容量 1022，也超出 “悬铃木” 的输出量子态空间规模 1016。
玻色子采样，是证明量子计算优势的有力方式。其最初由计算机科学家 Scott Aaronson 和 Alex Arkhipov 于 2011 年设计，在证明量子计算优势时，它需要计算玻色子的概率分布情况和粒子的量子波相干。
但这类运算比世界七大数学难题之一的“NP 完全问题”还难，因为解法数量会随着变量增加而呈指数增长。此前，Aaronson 和 Arkhipov 已经证明，如果有数十个玻色子，就不可能找到冗长的经典计算捷径。
而在本次研究中，该团队通过自主研制高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源，从而实现了满足相位稳定、全连通随机矩阵、波包重合度优于 99.5%、通过率优于 98% 的 100 模式干涉线路，并实现相对光程 10-9 以内的锁相精度、以及高效率 100 通道超导纳米线单光子探测器，最终构建出 “九章”。
“九章”研究中的重要步骤是玻色取样，这是一个从高度纠缠的多光子量子态定义的概率分布取样的过程，目的是通过少量关键样本，来获取整体分布的关键信息。
“九章” 中有 100 个光纤通道，最多可实现 76 个光子同时进入通道，这些光子由特制的量子光源发出，因此 76 个光子完全一样。在光纤通道末端，则有高性能光子探测器，来准确捕获每个落下的光子。这一过程必须 “万无一失”，因为光子在 50 路 2 米自由空间、与 20 米光纤光程中的抖动，必须控制在 25 纳米之内。
如上图，光量子干涉装置集成在 20 cm*20 cm 的超低膨胀稳定衬底玻璃后，可实现 50 路单模压缩态间的两两干涉，并能高精度地锁定任意两路光束间的相位。
下图是光量子干涉实物图，图片左下方是输入光学部分，右下方是锁相光路，上方共输出 100 个光学模式，分别通过低损耗单模光纤与 100 超导单光子探测器连接。
Science 审稿人评价该工作是 “一个最先进的实验” 以及 “一个重大成就”（a major achievement）。但即便如此，量子优越性实验并非一日之功，更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间仍存在竞争，但最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力。
此外，基于 “九章” 的高斯玻色取样算法，在机器学习、量子化学等领域具有潜在应用。具体来说，量子计算机的超快并行计算能力，有望通过特定算法在密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等领域，实现比经典计算机呈指数级别的加速。
就本次研究，潘建伟称：“我们已经证明，我们可以使用光子来展示量子计算能力，这远远超出了传统的计算机”。他还介绍称，最近美国公布了量子计算领域的最新计划，欧盟、英国、日本等国家也早有相应规划，此次 “九章” 的成功研制，为中国在国际量子计算研究中牢固确立第一方阵地位奠定了基础。
他认为，“在摩尔定律逼近极限的时代，在人们对算力需求指数级增长的时代，量子计算机必然会成为世界前沿的‘兵家必争之地’。” 不过，对于本次成果的优越性，潘建伟说：“这是一个动态过程，所有领先都只是暂时的。”
在光量子信息处理方面，潘建伟团队已做出一定成果。2017 年，该团队构建出世界首台超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机。
2019 年，他们研制出确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，实现了 20 光子输入 60 模式干涉线路的玻色取样，输出复杂度相当于 48 个量子比特的希尔伯特态空间，效果逼近 “量子计算优越性”。
而本次成果，则确立了中国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，并将为解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定基础。
就该领域研究来说，有三个国际公认的指标性发展阶段：
第一阶段，发展出具备 50-100 个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，并实现 “量子计算优越性” 的里程碑。
第二阶段，通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，从而解决超级计算机无法胜任的难题，如量子化学、新材料设计、优化算法等。
第三阶段，提高量子比特的操纵精度，使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值（>99.9%），大幅度提高可集成的量子比特数目，从而实现容错量子逻辑门，研制出可编程的通用量子计算原型机。
加拿大多伦多量子计算初创公司 Xanadu 首席执行官克里斯蒂安・韦德布鲁克（Christian Weedbrook）说：“这是首次利用光或光子技术展示量子优势。” 同时，对该成果他也表达了一些期望：如果团队能够构建足够高效的可编程芯片，那么可以解决几个重要的计算问题，如预测蛋白质如何彼此对接以及分子如何振动。
对本次成果，伦敦帝国理工学院的物理学家伊恩・沃尔姆斯利（Ian Walmsley）说，这是一个重要的里程碑。”
昆士兰大学教授 Tim Ralph 则评价称：“该设备的规模是非凡的：100 模式干涉仪、25 个压缩器提供输入的量子态、使用 100 个单光子探测器进行探测，并且实现了同时保持高效率，稳定性和量子不可分辨性 —— 这都是展示量子计算优越性所必须的。”
来源 ：MIT Technology Review