“九章”量子計算機到底有多神
“九章”量子計算原型機實物圖 資料圖片
12月4日，包括本報在內的許多媒體報道了一個量子計算的大成果：中國科學技術大學的潘建偉、陸朝陽等人構建了一臺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“富嶽”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，“九章”只需一分鐘。同時，“九章”也等效地比谷歌去年發佈的53個超導比特量子計算機原型機“懸鈴木”快一百億倍。
然而，很多讀者在驚歎這一重大科研成果的同時，卻對其中的原理、成果的意義、量子計算機的應用前景不明就裡，甚至有讀者反映，“每個漢字都認識，但還是不懂”。爲此，本報記者採訪了相關專家，嘗試揭開“九章”神秘的面紗，瞭解量子計算機的原理。
什麼是量子計算機
“量子計算機是用量子力學原理製造的計算機，目前還處於很初步的階段。相應的，現有的我們在用的計算機被稱爲經典計算機。”中國科學技術大學微尺度物質科學國家實驗室副研究員袁嵐峰一直致力於科普寫作，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進行計算，而量子計算機則是以量子的狀態作爲計算形式。”
我們日常使用的電腦，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換成1和0，每個比特要麼代表0，要麼代表1，這些比特就是信息，然後再進行傳輸、運算與存儲。正是因爲這種0和1的“計算”過程，電腦才被稱爲“計算機”。
而量子計算，則是利用量子天然具備的疊加性，施展並行計算的能力。“量子力學允許一個物體同時處於多種狀態，0和1同時存在，就意味着很多個任務可以同時完成，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分別乘以一個係數再疊加，隨着係數的不同，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，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，量子計算機並不是對所有的問題都超過經典計算機，而是隻對某些特定的問題超過經典計算機，因其對這些特定的問題設計出高效的量子算法。“對於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勢。”
“九章”到底長什麼樣
在中國科學技術大學光量子實驗室，記者見到了確立中國量子計算優越性的“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：實驗桌上3平方米左右的格子裡擺滿了上千個部件，“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新的量子光源、量子干涉、單光子探測器等，我們構建了76個光子的量子計算原型。”
另一張桌子上，擺放着“九章”的接收器。“如果你站在兩張桌子之間，就意味着你置身於‘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，光學是實現量子計算的一種手段，跟超導、離子阱、核磁共振等很多其他手段並列。“中國科技大學把光學這種手段帶到了世界的中心，大大擴展了學術界對這種手段上限的估計，這是這項成果在技術上的重要意義。”
“九章”確立的“量子計算優越性”有多厲害
“九章”的成果，就是實現了量子計算優越性。“量子計算機在某個問題上超越現有的最強的經典計算機，被稱爲‘量子優越性’或者叫‘量子霸權’。”
袁嵐峰隨後解釋說，“實際上，‘量子霸權’是一個科學術語，跟國際政治無關。它指的是量子計算機在某個問題上遠遠超過現有的計算機。”
基於量子的疊加性，許多量子科學家認爲，量子計算機在特定任務上的計算能力將會遠超任何一臺經典計算機。2012年，美國物理學家John Preskill將其描述爲“量子計算優越性”或稱“量子霸權”。2019年，谷歌第一個宣佈實現了量子優越性。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爲：判斷一個量子隨機數發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，而現有的最強的超級計算機完成同樣的任務需要一萬年。200秒對一萬年，如果這是雙方的最佳表現，那麼確實是壓倒性的優勢。”袁嵐峰說，“九章”跟“懸鈴木”的區別，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，“懸鈴木”用的是超導。“這兩個沒有孰優孰劣，只是不同的技術路線。”
“‘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，也意味着我國在量子計算上實現了‘量子霸權’”。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。這是因爲有“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，我們就不說什麼‘第一方陣’了。因爲那裡沒有方陣，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‘富嶽’快一百萬億倍”。那麼，什麼是高斯玻色取樣？
“玻色取樣是用來展示量子計算優越性的特定任務中的一項，一直被科學家寄予厚望。”袁嵐峰說，“大致可以理解爲，一個光路有很多個出口，問每一個出口有多少光出去。”
由於量子力學賦予了光子很多匪夷所思的性質，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，具體結果視情況而定，非常複雜。“在面對這樣的難題時，玻色取樣裝置就有了用武之地。由於它像計算機一樣，能夠在較高的精度上解決特定的數學問題，同時又應用了光子的量子力學特性，所以可以稱作是一種‘光量子計算機’。”袁嵐峰說。
此次，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心合作，成功研製出的“九章”，和之前的玻色取樣機的主要區別，在於輸入的光子狀態，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聯的量子光波。”袁嵐峰說，因此，“九章”比經典計算機快很多倍，真正體現出了“量子計算優勢”。
量子計算機要不要裝系統
“量子計算機本身就是一套‘系統’。”中國科學技術大學林梅教授說，獨立的光學組件提供了硬件，複雜的光路結構則決定了它的“算法”。“例如，以光子作爲量子比特的量子計算機，需要能夠產生光子的單光子源，能夠改變光子狀態、完成‘算法’的特定光路結構，還需要單光子探測器對光子的最終狀態進行觀測。”
據瞭解，對於量子計算機的控制，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據，數據在量子計算機控制系統中進行復雜的轉換和運算，最後得到的結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。
“例如因數分解，量子計算機就是有快速算法的。因數分解的困難性是現在最常用的密碼體系RSA的基礎，所以量子計算機能快速進行因數分解，就意味着能快速破解密碼。”袁嵐峰說，“問題只是在於，現有的量子計算機只能分解很小的數，還不足以破解實用的密碼。所以在實現量子優越性之後，下一個重要的目標就是針對一個有實用價值的問題，造出超越經典計算機的量子計算機。”
“火車剛發明的時候，連馬車的速度都趕不上；飛機剛發明的時候，只能在天上堅持飛1分鐘；量子計算機剛發明的時候，計算過程也堅持不了幾分鐘。”袁嵐峰說，量子計算髮展到今天，我們研製出的“九章”不僅速度快、穩定性高，而且有着潛在應用價值。“不管量子計算機現在有多麼初級，總有一天，它會像曾經的火車和飛機一樣，一步一步向我們走來。也許將來，我們能夠用光學實現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。”
“九章”問世後，贏得科學界一致肯定，《科學》雜誌審稿人認爲，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章得主Ignacio Cirac稱，“總體來說，這是量子科技領域的一個重大突破，朝着研製比經典計算機具有量子優勢的量子設備邁出了一大步。”奧地利科學院院長、沃爾夫獎得主、美國科學院院士Anton Zeilinger評價道，“這項工作成果很重要，因爲潘建偉和他的同事證明，基於光子的量子計算機也可能實現‘量子計算優越性’。我預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。”
美國麻省理工學院教授、美國青年科學家總統獎得主、斯隆獎得主Dirk Englund則稱之爲“一個劃時代的成果”。他說，“這是開發中型量子計算機的里程碑。它表明，在複雜系統的前沿領域中，我們正處於非常特殊的時刻，複雜系統具有我們今天無法在計算機上預測的複雜性。因此，這是一項了不起的成就。”
加拿大卡爾加里大學教授、量子科學和技術研究所所長Barry Sanders說，“我認爲這是一項傑出的工作，改變了當前的格局。我們一直努力證明量子信息處理可以戰勝經典的信息處理。這個實驗使經典計算機望塵莫及。我認爲這是量子計算領域最重要的成果之一。這個實驗不存在爭論，毫無疑問，該實驗取得的結果遠遠超出了傳統機器的模擬能力。我想說的是，這個實驗技術挑戰非常巨大。爲了獲得此結果，他們必須解決許多非常困難的技術問題。僅僅在技術層面上，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，讓夢想走進現實。”