昨天，是被「九章」刷屏的一天！

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)「九章」，能在一分鐘完成超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一億年才能完成的任務(wù)。

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等效地，「九章」比去年谷歌發(fā)布的53個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī)「懸鈴木」快一百億倍。

? ? ??圖片來源：文匯網(wǎng)

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它宣告：中國是世界上第二個(gè)實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的國家。

在國內(nèi)外，「九章」都引起了不小的轟動(dòng)。它的意義究竟為何？與之前的谷歌相比，它是一種超越嗎？

Scott Aaronson，領(lǐng)域內(nèi)的重要專家之一，他專門發(fā)博文解讀這項(xiàng)研究的意義。

更重要的是，他也是這篇論文的審稿人之一。

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Scott Aaronson

還記得去年谷歌宣稱實(shí)現(xiàn)「量子霸權(quán)」嗎？谷歌用一臺(tái) 53 量子比特的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī)無法完成的任務(wù)。

當(dāng)時(shí)，另一個(gè)科技巨頭——IBM有一萬個(gè)不服氣。

IBM向外界發(fā)出聲音：谷歌的實(shí)驗(yàn)存在缺陷，「實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)」的說法也有待商榷。他們認(rèn)為，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬谷歌量子計(jì)算機(jī)的結(jié)果其實(shí)只需要2.5天，而且保真度要高得多。

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IBM 的研究主管 Dario Gil 也質(zhì)疑稱，「『霸權(quán)』這種字眼，會(huì)對所有人產(chǎn)生誤導(dǎo)?！?/span>

IBM 的研究者在 arXiv 上發(fā)表了一篇名為《Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits》的論文，稱在經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)上模擬谷歌的量子電路根本不需要一萬年，2 天半就能做到。（這個(gè) 2 天半也是估算）

IBM計(jì)劃在2023年實(shí)現(xiàn)超快速量子計(jì)算的巨大飛躍

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另外， Gil Kalai本人是一個(gè)量子霸權(quán)的懷疑派，他曾專門寫過文章論證——為何用多個(gè)光子做玻色采樣理論上絕不可能成功。

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所以，這次中國的研究是傳統(tǒng)方法很難模擬的，相當(dāng)于給了IBM一個(gè)「打臉」。

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有業(yè)內(nèi)領(lǐng)域科學(xué)家評(píng)論道：「這個(gè)工作使得他們和去年的Google站在了一起。」

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Scott還在博客中寫道，在他審稿的時(shí)候，他也向團(tuán)隊(duì)發(fā)出疑惑：為什么只做三十個(gè)光子？為什么不「多多益善」？

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過了幾個(gè)禮拜，作者回復(fù)說，「我們聽你的做了四十個(gè)光子的，結(jié)果花了四十萬美金……」

Scott還講述了一個(gè)小插曲，就在美國疫情爆發(fā)的時(shí)候，到處都買不到口罩，而那個(gè)時(shí)候中國已經(jīng)可以自產(chǎn)口罩了！陸朝陽給 Scott 寄了兩百個(gè)口罩過去，他感動(dòng)不已。但Scott 說：「我當(dāng)然很感激！，但我絕對沒有在審稿的時(shí)候偏心！」?

去年， Google 首次實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的時(shí)候，Google CEO Pichai 說這是量子計(jì)算領(lǐng)域的 「Hello World moment」。

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量子霸權(quán)這個(gè)詞的發(fā)明人 John Preskill 當(dāng)時(shí)也說：他在 2012 年提出量子霸權(quán)這個(gè)概念的時(shí)候問過，大規(guī)模量子計(jì)算究竟是非常非常困難，還是不可思議地困難？前者意味著還有幾十年的路要走，后者意味著可能還要幾個(gè)世紀(jì)。Google 這個(gè)成果讓他更相信前者了。

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一年后，潘、陸這篇論文就又把 Google 的工作往前推進(jìn)了一大步。

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也有科學(xué)家感慨道，「歐洲應(yīng)該慎重考慮和中國的伙伴關(guān)系，包括科學(xué)、技術(shù)和商業(yè)等方面，我們不要錯(cuò)過歷史的列車和潮流，特別是量子計(jì)算、量子模擬和量子技術(shù)的高速列車。」

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Nature更是刊登了一篇名為：「中國物理學(xué)家挑戰(zhàn)谷歌量子優(yōu)越性」的文章。

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羅馬薩皮恩扎大學(xué)的量子物理學(xué)家Fabio Sciarrino說：「我的第一印象是，哇！」

Google的名為「懸鈴木」是基于超導(dǎo)材料制成的微小量子位，該量子位無阻地傳導(dǎo)能量。

相反，九章由復(fù)雜的光學(xué)設(shè)備陣列組成，這些光學(xué)設(shè)備將光子穿梭在周圍。這些設(shè)備包括光源，數(shù)百個(gè)分束器，數(shù)十個(gè)鏡子和100個(gè)光子探測器。

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玻色子采樣解決的問題本質(zhì)上是「光子的分布是什么？」玻色子采樣是一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)能夠解決本身是光子的分布。同時(shí)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)必須通過計(jì)算矩陣的「永久」來計(jì)算光子的分布。

對于兩個(gè)光子的輸入，這只是使用二乘二陣列的簡短計(jì)算。但是，隨著光子輸入和檢測器數(shù)量的增加，陣列的尺寸會(huì)增加，從而成倍地增加了問題的計(jì)算難度。

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通過使用稱為玻色子采樣的過程，九章生成的數(shù)字分布對于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)而言非常難以復(fù)制。

它是這樣工作的：光子首先被發(fā)送到通道網(wǎng)絡(luò)中。在那里，每個(gè)光子都會(huì)遇到一系列分束器，每個(gè)分束器會(huì)同時(shí)沿兩個(gè)路徑將光子發(fā)送出去，這就是所謂的量子疊加。路徑也合并在一起，重復(fù)的分裂和合并使光子根據(jù)量子規(guī)則相互干擾。

「九章」量子計(jì)算原型機(jī)光路系統(tǒng)原理圖

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最后，測量每個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸出通道中的光子數(shù)。當(dāng)重復(fù)多次時(shí)，此過程將根據(jù)每個(gè)輸出中發(fā)現(xiàn)的光子數(shù)量產(chǎn)生數(shù)字分布。

如果使用大量光子和許多通道進(jìn)行操作，量子計(jì)算機(jī)將產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法計(jì)算的復(fù)雜數(shù)字分布。在新的實(shí)驗(yàn)中，多達(dá)76個(gè)光子穿過100個(gè)信道的網(wǎng)絡(luò)。對于世界上最強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算機(jī)之一，中國的超級(jí)計(jì)算機(jī)「神威太湖之光」來說，預(yù)測量子計(jì)算機(jī)在超過40個(gè)光子的情況下會(huì)得到什么結(jié)果是很難的。

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一組數(shù)據(jù)可以說明：在室溫條件下運(yùn)行（除光子探測部分需4K低溫），計(jì)算玻色采樣問題，「九章」處理5000萬個(gè)樣本只需200秒，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要6億年；處理100億個(gè)樣本，「九章」只需10小時(shí)，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要1200億年——而宇宙誕生至今不過約137億年。?

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「九章」處理特定問題的速度甚至比目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)「富岳」要快一百萬億倍。

根據(jù)目前的公開資料，與谷歌去年推出的「懸鈴木」相比，「九章」有三大優(yōu)勢：

一是速度更快。雖然算的不是同一個(gè)數(shù)學(xué)問題，但與最快的超算等效比較，「九章」比「懸鈴木」快100億倍。

二是環(huán)境適應(yīng)性。「懸鈴木」需要零下273.12攝氏度的運(yùn)行環(huán)境，而「九章」除了探測部分需要零下269.12攝氏度的環(huán)境外，其他部分可以在室溫下運(yùn)行。

三是彌補(bǔ)了技術(shù)漏洞。「懸鈴木」只有在小樣本的情況下快于超算，「九章」在小樣本和大樣本上均快于超算。

那么，「九章」是如何實(shí)現(xiàn)對谷歌「懸鈴木」的超越的呢？

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「雖然九章和懸鈴木分別被設(shè)計(jì)用來處理不同問題，但如果都和超算比的話，‘九章’等效地比‘懸鈴木’快了一百億倍，且克服了樣本數(shù)量依賴的缺陷?！箞F(tuán)隊(duì)成員之一陸朝陽說。

由于操縱量子比特?cái)?shù)量的大幅增加，「九章」的輸出態(tài)空間（量子糾纏可能出現(xiàn)的狀態(tài)）達(dá)到了10的30次方——如果要將這些狀態(tài)全部紀(jì)錄下來，目前世界上所有內(nèi)存硬盤光盤全部用上也不夠。

而「懸鈴木」的輸出態(tài)空間為10的16次方，兩者相差了十幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這也是導(dǎo)致「懸鈴木」未能充分體現(xiàn)「量子計(jì)算優(yōu)越性」的原因之一。

實(shí)際上，就在去年谷歌宣布「懸鈴木」的同期，潘建偉團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特的輸出態(tài)空間，逼近了「量子計(jì)算優(yōu)越性」。

此后，團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所合作，自主研發(fā)出高性能光子探測器，實(shí)現(xiàn)了后來居上。

陸朝陽說，雖然谷歌是第一個(gè)突破量子至上壁壘的人，但里程碑不是「一次性的成就」，這是不斷改進(jìn)的量子硬件與不斷改進(jìn)的經(jīng)典仿真之間的持續(xù)競爭。

參考鏈接：

https://www.sciencenews.org/article/new-light-based-quantum-computer-jiuzhang-supremacy

https://www.scottaaronson.com/blog/?p=5122