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。”
图 | 论文今天凌晨发表在 Science
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。
图 | “九章” 和 “悬铃木” 的对比
76 个光子、100 模式干涉线路实现玻色取样
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”。
图 | 光量子干涉示意图
“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。
图 | “九章” 量子计算原型机光路系统原理图
如上图所示，左上方激光系统可产生高峰值功率飞秒脉冲，而左方 25 个光源通过参量下转换过程，可产生 50 路单模压缩态并输入到右方 100 模式光量子干涉网络。上述过程完成后，该团队利用 100 个高效率超导单光子探测器，来对干涉仪输出光量子态进行探测。
图 | 100 模式相位稳定干涉仪
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。
图 | 光量子干涉实物图
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。
为中国在量子计算牢固确立第一方阵地位奠定基础
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。”
