近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等與中外科學(xué)家合作，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計(jì)算，輸出了復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特的希爾伯特態(tài)空間，其維數(shù)高達(dá)三百七十萬億。這個(gè)工作同時(shí)在光子數(shù)、模式數(shù)、計(jì)算復(fù)雜度和態(tài)空間這四個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上都大幅超越之前的國際記錄，其中，態(tài)空間維數(shù)比國際同行之前的光量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)高百億倍。國際學(xué)術(shù)權(quán)威期刊《物理評(píng)論快報(bào)》以“編輯推薦”形式刊發(fā)了他們的研究論文，美國物理學(xué)會(huì)Physics網(wǎng)站也以“玻色取樣量子計(jì)算逼近里程碑”為題做了精選報(bào)道。

顯示“量子霸權(quán)”的兩種途徑

由于量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速，當(dāng)前已成為前沿科學(xué)的最大挑戰(zhàn)之一和世界各國角逐的焦點(diǎn)。

這當(dāng)中，量子計(jì)算研究的第一個(gè)階段性目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”(亦譯為“量子霸權(quán)”)，即研制出量子計(jì)算原型機(jī)在特定任務(wù)的求解方面超越經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

而利用超導(dǎo)量子比特實(shí)現(xiàn)隨機(jī)線路取樣和利用光子實(shí)現(xiàn)玻色取樣，是目前國際學(xué)術(shù)界公認(rèn)的演示量子計(jì)算優(yōu)越性的兩大途徑。在第二種路線上，中科大團(tuán)隊(duì)一直保持國際領(lǐng)先。此次他們實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計(jì)算，輸出狀態(tài)空間維數(shù)高達(dá)三百七十萬億，其復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特，逼近谷歌最近報(bào)道的53個(gè)超導(dǎo)量子比特。

事實(shí)上，量子計(jì)算機(jī)的研制是一個(gè)極具挑戰(zhàn)并且周期可能較長的工作。為了推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)的研制，我們必須把其分成一個(gè)個(gè)的小目標(biāo)，不斷逐次突破。其中的第一個(gè)小目標(biāo)就是“量子優(yōu)越性”(Quantum Supremacy)，指的是量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)特定問題上的計(jì)算能力遠(yuǎn)超過性能最好的超算，證明量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性。因此，“量子優(yōu)越性”被認(rèn)為是量子計(jì)算發(fā)展道路上的一個(gè)重要里程碑。

上面提到的量子計(jì)算“特定任務(wù)”，是指經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，非常適合于量子計(jì)算設(shè)備發(fā)揮其計(jì)算潛力的問題。這類問題包括隨機(jī)量子線路采樣、IQP線路、玻色采樣。而谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)所針對的問題是隨機(jī)量子線路采樣。

面向這一戰(zhàn)略目標(biāo)，中國科大團(tuán)隊(duì)長期致力于可擴(kuò)展單光子源和玻色取樣量子計(jì)算的研究。2013年，他們在國際上首創(chuàng)量子點(diǎn)脈沖共振激發(fā)，解決了單光子源的確定性和高品質(zhì)這兩個(gè)基本問題;2016年， 產(chǎn)生了國際最高效率的全同單光子源，并在此基礎(chǔ)上，于2017年初步應(yīng)用于構(gòu)建超越早期經(jīng)典計(jì)算能力的針對波色取樣問題的光量子計(jì)算原型機(jī)，其取樣速率比國際上當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)提高24000多倍。

2019年，中國科大研究組在實(shí)驗(yàn)上同時(shí)解決了單光子源所存在的混合偏振和激光背景散射這兩個(gè)最后的難題：成功研制出了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源。

量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)里程碑

此次，中國科大研究組利用自主發(fā)展的國際最高效率和最高品質(zhì)單光子源、最大規(guī)模和最高透過率的多通道光學(xué)干涉儀，成功實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式(即：60個(gè)輸入口，60層的線路深度，包括396個(gè)分束器和108個(gè)反射鏡)干涉線路的玻色取樣實(shí)驗(yàn)。

這一成果與牛津大學(xué)、維也納大學(xué)、法國國家科學(xué)院、布里斯托大學(xué)、昆士蘭大學(xué)、羅馬大學(xué)、麻省理工學(xué)院、馬里蘭大學(xué)等國際同行的類似工作相比，實(shí)驗(yàn)成功操縱的單光子數(shù)增加了5倍，模式數(shù)增加了5倍，取樣速率提高了6萬倍，輸出態(tài)空間維數(shù)提高了百億倍。其中，由于多光子高模式特性，輸出態(tài)空間達(dá)到了三百七十萬億維數(shù)，等效于48個(gè)量子比特展開的希爾伯特空間。

因此，實(shí)驗(yàn)首次將玻色取樣推進(jìn)到一個(gè)全新的區(qū)域：無法通過經(jīng)典計(jì)算機(jī)直接全面驗(yàn)證該波色取樣量子計(jì)算原型機(jī)，朝著演示量子計(jì)算優(yōu)越性的科學(xué)目標(biāo)邁出了關(guān)鍵的一步。

為什么隨機(jī)量子線路經(jīng)典計(jì)算機(jī)很難模擬?舉個(gè)例子來，比如一個(gè)50比特的隨機(jī)量子線路采樣，最終輸出的量子態(tài)的態(tài)空間的維度是250，如果使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬，首先要存儲(chǔ)如此高維度的量子態(tài)是極其困難的，其次，在如此高維的計(jì)算空間上，模擬每一層的量子計(jì)算操作，直至輸出最終的計(jì)算結(jié)果，更是難上加難!

因此，審稿人指出：這個(gè)工作是“一個(gè)巨大的飛躍”、“更是通往實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的彈簧跳板”。美國物理學(xué)會(huì)Physics網(wǎng)站 總結(jié)指出：“這意味著量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)里程碑：接近經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能模擬量子系統(tǒng)的地步。”

量子計(jì)算，未來可期

2019年10月23日，權(quán)威雜志《自然》刊出了谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)的最新科研工作，在持續(xù)重金投入量子計(jì)算13年后，成功地用實(shí)驗(yàn)證明“量子優(yōu)越性”。即在特定任務(wù)上，量子計(jì)算機(jī)可以大大超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力了。

論文報(bào)道了谷歌團(tuán)隊(duì)基于一個(gè)包含53個(gè)可用量子比特的可編程超導(dǎo)量子處理器，運(yùn)行隨機(jī)量子線路進(jìn)行采樣，耗時(shí)約200秒可進(jìn)行100萬次采樣，并且估計(jì)如果使用目前最強(qiáng)超算Summit來計(jì)算得到同樣的結(jié)果，需耗費(fèi)約 1 萬年。據(jù)此，谷歌宣稱實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。

實(shí)際上，“量子優(yōu)越性”代表了兩個(gè)方面的競爭，一方面量子芯片的比特?cái)?shù)和性能不斷擴(kuò)張，在某些問題上展現(xiàn)出極強(qiáng)的計(jì)算能力;另一方面，經(jīng)典算法和模擬的工程化實(shí)現(xiàn)也可以不斷優(yōu)化，提升經(jīng)典算法的效率和計(jì)算能力。所以，如果能夠提升經(jīng)典模擬的能力，那么谷歌的量子設(shè)備有可能就無法打敗最強(qiáng)超算，從而“稱霸”失敗。

對于谷歌的“稱霸”，IBM是第一個(gè)跳出來表示“不服”的。IB指出谷歌對隨機(jī)量子線路的經(jīng)典模擬優(yōu)化得并不好，如果采用內(nèi)存和硬盤混合存儲(chǔ)方案，模擬53比特、20深度的量子隨機(jī)線路采樣，僅需2.5天。IBM還宣稱這只是他們保守的估計(jì)，可謂“一萬年太久，只爭朝夕”。

畢竟，經(jīng)典算法的發(fā)展以及超算上的工程化實(shí)現(xiàn)，還有提升空間。“量子優(yōu)越性”本身也是經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算博弈和演進(jìn)的過程。 谷歌此次宣稱的“量子優(yōu)越性”，目的僅僅是為了在實(shí)驗(yàn)上證明量子計(jì)算機(jī)確實(shí)有超越目前最強(qiáng)超算的能力，這并不意味著已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)。“量子優(yōu)越性”對于量子計(jì)算的發(fā)展，僅僅是一個(gè)開始。

今年9月份，在合肥舉辦的新興量子技術(shù)國際大會(huì)的白皮書指出，量子計(jì)算研究可以沿如下路線開展：“第一個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，即針對特定問題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，這一階段性目標(biāo)將在近期實(shí)現(xiàn);第二個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)具有應(yīng)用價(jià)值的專用量子模擬系統(tǒng);第三個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)可編程的通用量子計(jì)算機(jī)，還需要全世界學(xué)術(shù)界的長期艱苦努力。”

實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”絕不是終點(diǎn)，而是一個(gè)起點(diǎn)。量子計(jì)算，未來可期。(記者 吳長鋒)

關(guān)鍵詞： 量子計(jì)算