3分钟完成超算25亿年计算任务，中国科学家实现“量子霸权”
环球科学
中科大团队的实验装置（图片来源：中国科学技术大学）
中国研究团队在量子计算领域实现了重要进展。在一项发表于《科学》杂志的最新研究中，中国科学技术大学的潘建伟和陆朝阳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，展示了用他们名为“九章”的量子计算机运行高斯玻色采样的技术。他们用九章探测到76个光子——远远超出先前5个光子的记录。九章也表现出了远超经典超级计算机的能力，实现了量子优越性（或称量子霸权）。
撰文 | Daniel Garisto
翻译 | 王昱
校对 | 吴非
与由硅处理器构建的经典计算机不同，九章是一个布置了激光、镜子、棱镜和光子探测器的精密桌面。它并不是一个可以发送电子邮件和存储文件的通用计算机，但它的确证明了量子计算的潜力。
“九章”量子计算原型机光路系统原理图（图片来源：中国科学技术大学）
去年，谷歌的量子计算机“悬铃木”（Sycamore）用3分钟解决了需要超级计算机运行3天（或者1万年，取决于估计方法）才能解决的问题，登上了新闻头条。这篇论文中，中科大团队估计： 要完成九章用200秒完成的特定任务，世界第三超算神威太湖之光需要花费惊人的25亿年。
这只是对 量子优越性 （quantum primacy）的第二次证明。量子优越性描述的是这样一个时间点：量子计算机以指数速度超过任何经典计算机，高效地完成经典计算机不可能实现的计算任务。这不仅是这一原理的证明，还暗示高斯玻色采样可能存在一些实际用途，例如解决量子化学和数学中的特殊问题。更广泛地说，这种控制光子作为量子比特的能力，是任何大型量子网络的先决条件。（量子比特类似于经典计算中代表信息的比特）
“这并不是轻而易举的事，” 斯科特·亚伦森（Scott Aaronson）说，他是得克萨斯大学奥斯汀分校的理论计算机科学家，他与当时的学生亚历克斯·阿基波夫（Alex Arkhipov）一起，在2011年首次概述了玻色取样的基础。多年来，玻色取样实验停留在检测到3~5个光子的水平，这距离量子优越性“还有很长的路要走”。亚伦森说：“提升这个数字是很难的，向他们的工作致敬。”
过去几年，量子计算已经从朦胧的概念上升到数十亿美元的产业，因其对国家安全、全球经济以及物理和计算科学基础的潜在影响而被认可。2019年，美国通过了《国家量子倡议法案》（National Quantum Initiative Act），在未来10年内计划向量子技术投资超过12亿美元。这一领域也遭到了相当多的炒作，如不切实际的时间表，还有诸如“量子计算机让经典计算机完全过时”的夸张说法。
中科大团队对量子计算机潜力的最新证明至关重要，它和谷歌的方法大相径庭。悬铃木用金属超导体回路形成量子比特；而 在九章中，光子本身就是量子比特。 这是量子计算原理可以在完全不同的硬件上实现优越性的独立检验。陆朝阳说：“这让我们相信，从长远来看，最终实用的量子模拟器和容错的量子计算机将会变得可行。”
采样光子
为何量子计算机有巨大的潜力？考虑一下著名的双缝实验，光子被射向有两个狭缝A和B的屏障。光子既没有穿过A，也没有穿过B。相反，双缝实验表明，光子处在 “叠加态”，或者说可能性的组合，既穿过了A也穿过了B。理论上，利用量子特性（如叠加）允许量子计算机在解决特定问题时，相较于经典计算机有指数级的速度提升。
21世纪早期，物理学家开始对于利用光子的量子特性制造量子计算机产生了兴趣，部分原因是光子可以在室温下充当量子比特，因此无需像其他量子计算方案一样，执行将系统冷却到只有几开尔文的昂贵任务。但他们很快发现，建立一个通用光量子计算机是不可行的。建立一个能够运行的量子计算机将需要数百万激光和其他光学器件。结果是，光子的量子优越性似乎遥不可及。
直到2011年，亚伦森和阿基波夫介绍了玻色采样的概念，展示如何用几个激光、镜子、棱镜和光子探测器实现有限的量子计算机。突然间，光量子计算机有了一条证明它可能快于经典计算机的路。