路漫漫其修远兮

薛山

光學量子计算的突破

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳团队构建的一套光量子计算系统，最近在高斯玻色采样（Gaussian Boson Sampling）问题上取得重要突破，求解速度达到目前全球最快的超级计算机的一百万亿倍，远远超过经典计算机，该研究成果于北京时间2020年12月4日凌晨在《科学》杂志在线发表，论文标题为 “用光子实现量子计算优越性”（Quantum computational advantage using photons）。这意味着中国科学家首次实现了 “在某个特定问题上的计算能力远超现有最强的传统计算机，而传统计算机在有限时间内无法完成计算”的量子优越性。

在本研究中，潘建伟和同事们构建了76个光子的量子计算原型机 “九章”，实现了高斯玻色采样的快速求解，“九章”在对5000万个样本采样的情况下，200秒就能完成计算，而目前全球最快的超级计算机“富岳”则要花费6亿年之久。如果单纯以计算时间进行对比，“九章”的计算速度甚至是去年谷歌“悬铃木”的100亿倍之多，但“悬铃木”的计算位元使用的是超导量子，“九章”则是光量子，两者的优化策略并不相同，计算内容也有一定的区别，因此这种对比其实意义不大。

而且与谷歌采用-273℃左右的超导线圈产生量子比特不同，潘建伟团队用光子实现量子计算的大部分实验过程可以在常温下进行。他们将一束定制的激光分成强度相等的13条路径，聚焦在25个晶体上产生25个特殊状态的量子光源，光源通过2米自由空间和20米光纤（其中5米缠绕在一个压电陶瓷上），进入干涉仪和彼此 “对话”，最后的输出结果由100个超导纳米线单光子探测器探测，最终有76个探测器探测到了光子。

实验采用的量子光源是国际上唯一同时具备高效率、高全同性（指粒子具有完全相同的属性）、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源，再加上“高精度锁相技术”的采样，让光源在自由空间和光纤中的抖动控制在25nm之内，中国科学技术大学教授陆朝阳曾形象地将这项技术描述为“50匹马奔跑100公里，偏差路线的误差小于一根头发丝的直径”。“九章”所采用的干涉技术和单光子检测技术都达到了世界领先的水平，中科院上海微系统所甚至专门为这次原型机实验建造了一台单光子检测仪，而且计算性能的验证和比较都是以目前国内第一的“神威太湖之光”超级计算机为基础，可以说是拿出了目前国内超级计算和量子计算的最强实力。

玻色采样计算专用，缺乏通用计算能力

虽然从数据来看性能惊人，但问题在于，包括“九章”在内的量子计算机都只能做某一种特定的计算，完全没有通用计算的能力，比如“九章”就只能计算高斯玻色采样。

玻色采样可以理解成一个量子世界的“打弹珠”的游戏，小球弹射到最上方后落下，每经过一个阻挡物，都有一半的可能从左边走，一半的可能从右边走，当有很多个小球从上往下随机掉落时，落在下方的格子里的小球数量分布上会呈现一定的统计规律。而玻色采样也类似，计算的就是n个全同玻色子经过一个干涉仪后得到特定分布的输出概率。例如，在一个7进7出干涉仪的1、2、3口同时输出3个全同玻色子，求3个光子在2、3、5口各输出一个光子的分布概率，因此，高斯玻色采样的本质就是解决“光子是如何分布”这个问题。

对于传统的通用计算机而言，玻色采样需要通过积和式矩阵来计算分布，计算难度呈2的n次方倍指数上升，n就是光子数量，所以对于这样一个问题，即便是中小规模的量子计算就能打败超级计算机。

很关键的一点在于，玻色采样的本质其实是蒙特卡洛模拟。在人类科技史上，模拟信号比数字信号出现要早很多，虽然数字信号凭借抗干扰能力强、差错可控、易加密、易存储、易与现代技术结合等优势，能在绝大多数领域压过模拟信号，但模拟信号也有精度趋于无穷大、生成速度快的优势。比如计算两个球体碰撞，模拟计算就只需要遵循真实物理现象各自弹开即可，能够非常快速地完成实验，但对于过程所表现的具体数据却无法计算、解释。而数字计算则通过质量、角度、速度、弧度、硬度等数据计算后才能得到碰撞全程的状态，速度自然要慢很多。显然，模拟计算适用于快速观测最后的结果但无法获取整个过程发生的数据，数字计算则恰恰相反。

所以，以“九章”“悬铃木”等为代表的目前的量子计算机只能利用量子特性解决一些具体问题，并不能像数字计算机那样实现通用计算，并且“九章”目前还不可编程，也就是只能进行玻色采样计算，而“悬铃木”是可编程的，已经在量子物理模拟、量子化学、机器学习等领域进行应用，“九章”作为原型机，在这方面还需要继续追赶。

量子计算机的“马拉松”才刚刚开始

因为光子本身就是玻色子，所以“九章”采用的光学平台本身就适合做玻色采样计算，而要在光学平台上实现通用量子计算，还要解决高效率多光子纠缠的产生和探测、高分辨率量子门、规模化、稳定性等等问题，而这些都不是小问题，还有很长的路需要走。

回归到量子计算的本身，通常说量子计算机的计算能力是指“指数级或超指数级并行运算能力”，以2个量子位为例，这2个量子位可以通过量子纠缠构成4个信号存储单元，能存储4个数据，n个量子位能通过量子超距纠缠构成2的n次方个信号存储单元，存储2的n次方个数据，通过操作量子门来改变这些数据，并且可以任意读取出各个信号存储单元中的数据。所以真正的量子计算机，一定是要谈多少量子位，存储多少个数据信息，读取出哪些量子位上的数据。

而量子计算的计算能力超过经典计算机的计算能力，一定要是在明确给出数据计算过程的情况下，量子计算机超过经典计算机的能力，通过黑箱运算来实现的“超越”其实并不严谨。量子计算机的超距纠缠原理虽然目前还是说不清道不明，但是基于此原理构造的量子存储和计算过程是清晰的，可以把每个数据的计算过程清晰地展示出来，所以它本质上还是数字计算而不是模拟演化，但目前来看落地的量子计算项目距离这个目标还有一定的距离，可以说是“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。

编辑观点

量子科技作为我国“十四五”高新技术发展规划布局里的重要组成部分，汲取第一代半导体时代的历史经验，抓好战略布局提前量的思路毫无疑问是正确的，虽然目前来看像“九章”等量子计算原型机在特定领域已经表现出了强悍的性能，但从演示到实用落地还需要科学家们长时间的努力。就像激光，最开始人们对它也充斥着未知，但随着研究的不断深入，激光目前已经深入应用到了许多当初完全意想不到的领域，量子计算机想必也将经历这样类似的过程，未来可期。