12月4日，包括本報在內(nèi)的許多媒體報道了一個量子計算的大成果：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉、陸朝陽等人構(gòu)建了一臺76個光子100個模式的量子計算機“九章”，它處理“高斯玻色取樣”的速度比目前最快的超級計算機“富岳”快一百萬億倍。也就是說，超級計算機需要一億年完成的任務(wù)，“九章”只需一分鐘。同時，“九章”也等效地比谷歌去年發(fā)布的53個超導(dǎo)比特量子計算機原型機“懸鈴木”快一百億倍。
然而，很多讀者在驚嘆這一重大科研成果的同時，卻對其中的原理、成果的意義、量子計算機的應(yīng)用前景不明就里，甚至有讀者反映，“每個漢字都認識，但還是不懂”。為此，本報記者采訪了相關(guān)專家，嘗試揭開“九章”神秘的面紗，了解量子計算機的原理。
什么是量子計算機
“量子計算機是用量子力學(xué)原理制造的計算機，目前還處于很初步的階段。相應(yīng)的，現(xiàn)有的我們在用的計算機被稱為經(jīng)典計算機。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室副研究員袁嵐峰一直致力于科普寫作，他告訴記者，兩者的計算形式不一樣，“電腦通過電路的開和關(guān)進行計算，而量子計算機則是以量子的狀態(tài)作為計算形式。”
我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娔X，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字，這些信息在硬件電路里都會轉(zhuǎn)換成1和0，每個比特要么代表0，要么代表1，這些比特就是信息，然后再進行傳輸、運算與存儲。正是因為這種0和1的“計算”過程，電腦才被稱為“計算機”。
而量子計算，則是利用量子天然具備的疊加性，施展并行計算的能力。“量子力學(xué)允許一個物體同時處于多種狀態(tài)，0和1同時存在，就意味著很多個任務(wù)可以同時完成，因此具有超越計算機的運算能力。”中科大教授陸朝陽說，每個量子比特，不僅可以表示0或1，還可以表示成0和1分別乘以一個系數(shù)再疊加，隨著系數(shù)的不同，這個疊加的形式可能性會很多很多。
“目前的量子計算機使用的是如原子、離子、光子等物理系統(tǒng)，不同類型的量子計算機使用的是不同的粒子，這次的‘九章’使用的是光子。”袁嵐峰說。
袁嵐峰告訴記者，量子計算機并不是對所有的問題都超過經(jīng)典計算機，而是只對某些特定的問題超過經(jīng)典計算機，因其對這些特定的問題設(shè)計出高效的量子算法。“對于沒有量子算法的問題，例如最簡單的加減乘除，量子計算機就沒有任何優(yōu)勢。”
“九章”到底長什么樣
在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)光量子實驗室，記者見到了確立中國量子計算優(yōu)越性的“九章”。
從外觀上看，與其說它是計算機，倒不如說是一臺敞開式的運算系統(tǒng)：實驗桌上3平方米左右的格子里擺滿了上千個部件，“這些都是量子計算機原型機的光路”，潘建偉研究組的苑震生教授說，“正是通過我國自主創(chuàng)新的量子光源、量子干涉、單光子探測器等，我們構(gòu)建了76個光子的量子計算原型。”
另一張桌子上，擺放著“九章”的接收器。“如果你站在兩張桌子之間，就意味著你置身于‘九章’之中”。
原來，神秘的“九章”就是一堆光路和接收裝置。
袁嵐峰告訴記者，光學(xué)是實現(xiàn)量子計算的一種手段，跟超導(dǎo)、離子阱、核磁共振等很多其他手段并列。“中國科技大學(xué)把光學(xué)這種手段帶到了世界的中心，大大擴展了學(xué)術(shù)界對這種手段上限的估計，這是這項成果在技術(shù)上的重要意義。”
“九章”確立的“量子計算優(yōu)越性”有多厲害
“九章”的成果，就是實現(xiàn)了量子計算優(yōu)越性。“量子計算機在某個問題上超越現(xiàn)有的最強的經(jīng)典計算機，被稱為‘量子優(yōu)越性’或者叫‘量子霸權(quán)’。”
袁嵐峰隨后解釋說，“實際上，‘量子霸權(quán)’是一個科學(xué)術(shù)語，跟國際政治無關(guān)。它指的是量子計算機在某個問題上遠遠超過現(xiàn)有的計算機。”
基于量子的疊加性，許多量子科學(xué)家認為，量子計算機在特定任務(wù)上的計算能力將會遠超任何一臺經(jīng)典計算機。2012年，美國物理學(xué)家John Preskill將其描述為“量子計算優(yōu)越性”或稱“量子霸權(quán)”。2019年，谷歌第一個宣布實現(xiàn)了量子優(yōu)越性。他們用的量子計算機叫作“懸鈴木”，處理的問題大致可以理解為：判斷一個量子隨機數(shù)發(fā)生器是不是真的隨機。
“谷歌造出的‘懸鈴木’包含53個量子比特的芯片，花了200秒對一個量子線路取樣一百萬次，而現(xiàn)有的最強的超級計算機完成同樣的任務(wù)需要一萬年。200秒對一萬年，如果這是雙方的最佳表現(xiàn)，那么確實是壓倒性的優(yōu)勢。”袁嵐峰說，“九章”跟“懸鈴木”的區(qū)別，一是處理的問題不同，二是用來造量子計算機的物理體系不同。“九章”用的是光學(xué)，“懸鈴木”用的是超導(dǎo)。“這兩個沒有孰優(yōu)孰劣，只是不同的技術(shù)路線。”
“‘九章’在同樣的賽道上，比‘懸鈴木’快一百億倍，這就是等效速度，也意味著我國在量子計算上實現(xiàn)了‘量子霸權(quán)’”。袁嵐峰進一步解釋說，“九章”的成果牢固確立了我國在國際量子計算研究中的“第一方陣”地位。這是因為有“懸鈴木”在前，“九章”畢竟是第二個，所以只是說中國跟美國相差不遠。“而在量子通信方面，我們就不說什么‘第一方陣’了。因為那里沒有方陣，中國明確是世界最先進的。”
何謂高斯玻色取樣
所有的報道中都提到，“‘九章’處理‘高斯玻色取樣’的速度比目前最快的超級計算機‘富岳’快一百萬億倍”。那么，什么是高斯玻色取樣?
“玻色取樣是用來展示量子計算優(yōu)越性的特定任務(wù)中的一項，一直被科學(xué)家寄予厚望。”袁嵐峰說，“大致可以理解為，一個光路有很多個出口，問每一個出口有多少光出去。”
由于量子力學(xué)賦予了光子很多匪夷所思的性質(zhì)，使得光子的不同路徑之間，不但可以相互疊加，也可以相互抵消，具體結(jié)果視情況而定，非常復(fù)雜。“在面對這樣的難題時，玻色取樣裝置就有了用武之地。由于它像計算機一樣，能夠在較高的精度上解決特定的數(shù)學(xué)問題，同時又應(yīng)用了光子的量子力學(xué)特性，所以可以稱作是一種‘光量子計算機’。”袁嵐峰說。
此次，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，成功研制出的“九章”，和之前的玻色取樣機的主要區(qū)別，在于輸入的光子狀態(tài)，也就是對從前的“玻色取樣”裝置進行升級。“玻色取樣機輸入的是一個個獨立的光子，而‘九章’輸入的是一團團相互關(guān)聯(lián)的量子光波。”袁嵐峰說，因此，“九章”比經(jīng)典計算機快很多倍，真正體現(xiàn)出了“量子計算優(yōu)勢”。
量子計算機要不要裝系統(tǒng)
“量子計算機本身就是一套‘系統(tǒng)’。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)林梅教授說，獨立的光學(xué)組件提供了硬件，復(fù)雜的光路結(jié)構(gòu)則決定了它的“算法”。“例如，以光子作為量子比特的量子計算機，需要能夠產(chǎn)生光子的單光子源，能夠改變光子狀態(tài)、完成‘算法’的特定光路結(jié)構(gòu)，還需要單光子探測器對光子的最終狀態(tài)進行觀測。”
據(jù)了解，對于量子計算機的控制，仍然需要通過普通電腦進行信息的輸入和輸出。工作人員需要在普通電腦上輸入初始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在量子計算機控制系統(tǒng)中進行復(fù)雜的轉(zhuǎn)換和運算，最后得到的結(jié)果會再傳輸回工作人員的普通電腦上。
量子計算機距離實用還有多遠
量子計算機能不能處理有實用價值的問題?答案是：能。
“例如因數(shù)分解，量子計算機就是有快速算法的。因數(shù)分解的困難性是現(xiàn)在最常用的密碼體系RSA的基礎(chǔ)，所以量子計算機能快速進行因數(shù)分解，就意味著能快速破解密碼。”袁嵐峰說，“問題只是在于，現(xiàn)有的量子計算機只能分解很小的數(shù)，還不足以破解實用的密碼。所以在實現(xiàn)量子優(yōu)越性之后，下一個重要的目標(biāo)就是針對一個有實用價值的問題，造出超越經(jīng)典計算機的量子計算機。”
“火車剛發(fā)明的時候，連馬車的速度都趕不上;飛機剛發(fā)明的時候，只能在天上堅持飛1分鐘;量子計算機剛發(fā)明的時候，計算過程也堅持不了幾分鐘。”袁嵐峰說，量子計算發(fā)展到今天，我們研制出的“九章”不僅速度快、穩(wěn)定性高，而且有著潛在應(yīng)用價值。“不管量子計算機現(xiàn)在有多么初級，總有一天，它會像曾經(jīng)的火車和飛機一樣，一步一步向我們走來。也許將來，我們能夠用光學(xué)實現(xiàn)真正強大的量子計算機，也就是可編程的、能處理很多有實用價值問題的量子計算機。”
科學(xué)界如何評價“九章”
“九章”問世后，贏得科學(xué)界一致肯定，《科學(xué)》雜志審稿人認為，此項成果是“一個最先進的實驗”“一個重大成就”。
德國馬普所所長、沃爾夫獎和富蘭克林獎?wù)碌弥鱅gnacio Cirac稱，“總體來說，這是量子科技領(lǐng)域的一個重大突破，朝著研制比經(jīng)典計算機具有量子優(yōu)勢的量子設(shè)備邁出了一大步。”奧地利科學(xué)院院長、沃爾夫獎得主、美國科學(xué)院院士Anton Zeilinger評價道，“這項工作成果很重要，因為潘建偉和他的同事證明，基于光子的量子計算機也可能實現(xiàn)‘量子計算優(yōu)越性’。我預(yù)測很有可能有朝一日量子計算機會被廣泛使用。甚至每個人都可以使用。”
美國麻省理工學(xué)院教授、美國青年科學(xué)家總統(tǒng)獎得主、斯隆獎得主Dirk Englund則稱之為“一個劃時代的成果”。他說，“這是開發(fā)中型量子計算機的里程碑。它表明，在復(fù)雜系統(tǒng)的前沿領(lǐng)域中，我們正處于非常特殊的時刻，復(fù)雜系統(tǒng)具有我們今天無法在計算機上預(yù)測的復(fù)雜性。因此，這是一項了不起的成就。”
加拿大卡爾加里大學(xué)教授、量子科學(xué)和技術(shù)研究所所長Barry Sanders說，“我認為這是一項杰出的工作，改變了當(dāng)前的格局。我們一直努力證明量子信息處理可以戰(zhàn)勝經(jīng)典的信息處理。這個實驗使經(jīng)典計算機望塵莫及。我認為這是量子計算領(lǐng)域最重要的成果之一。這個實驗不存在爭論，毫無疑問，該實驗取得的結(jié)果遠遠超出了傳統(tǒng)機器的模擬能力。我想說的是，這個實驗技術(shù)挑戰(zhàn)非常巨大。為了獲得此結(jié)果，他們必須解決許多非常困難的技術(shù)問題。僅僅在技術(shù)層面上，他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，他們做成了，讓夢想走進現(xiàn)實。”
