12月4日,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、國傢並行計算機工程技術研究中心合作,構建瞭76個光子的量子計算原型機“九章”,實現瞭具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。

這一成果使得我國成功達到瞭量子計算研究的第一個裡程碑——-量子計算優越性。相關論文於12月4日在線發表在國際學術期刊《科學》上。

實現“量子計算優越性”目標

由於量子計算機在原理上具有超快的並行計算能力,可望通過特定算法在一些具有重大社會和經濟價值的問題方面,如密碼破譯、大數據優化、材料設計、藥物分析等,相比經典計算機實現指數級別的加速。當前,研制量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰之一,是歐美發達國傢角逐的焦點。

事實上,量子計算機的研制是一個極具挑戰並且周期可能較長的工作。為瞭推動量子計算機的研制,必須把其分成一個個的小目標,不斷逐次突破。其中的第一個小目標就是“量子優越性”,指的是量子計算機在某個特定問題上的計算能力遠超過性能最好的超算,證明量子計算機的優越性。因此,“量子優越性”被認為是量子計算發展道路上的一個重要裡程碑。

具體來說,對於量子計算機的研究,國際同行公認有三個指標性的發展階段:

第一階段發展具備50-100個量子比特的高精度專用量子計算機,對於一些超級計算機無法解決的高復雜度特定問題實現高效求解。

第二階段通過對規模化多體量子體系的精確制備、操控與探測,研制可相幹操縱數百個量子比特的量子模擬機,用於解決若幹超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題,如量子化學、新材料設計、優化算法等。

第三階段則是通過積累在專用量子計算與模擬機的研制過程中發展起來的各種技術,提高量子比特的操縱精度使之達到能超越量子計算苛刻的容錯閾值(大於99.9%),大幅度提高可集成的量子比特數目至百萬量級,實現容錯量子邏輯門,研制可編程的通用量子計算原型機。

“玻色取樣”算法處於國際領先

量子計算研究的第一個階段性目標,是實現“量子計算優越性”,即研制出量子計算原型機在特定任務的求解方面超越經典的超級計算機。

量子計算“特定任務”,是指經過精心設計,非常適合於量子計算設備發揮其計算潛力的問題。這類問題包括隨機量子線路采樣、IQP線路、高斯玻色取樣。而2019年10月谷歌量子AI團隊所針對的問題是隨機量子線路采樣。

所謂“高斯玻色取樣”問題,我們可以理解成一個量子世界的高爾頓板。

高爾頓板問題是由英國生物統計學傢高爾頓提出來的,這個模型可以用來直觀地認識中心極限定理。如果將“高爾頓釘板”發展出一個量子版本,即由全同光子來代替小球,用分束器來代替釘子,則這個遊戲就變成“玻色取樣”的量子模擬。一般來講,“玻色取樣”是指,在n個全同玻色子經過一個幹涉儀後,對n個玻色子的整個輸出態空間進行采樣的問題。

計算機科學傢S.Aaronson和A.Arkhipov於2013年提出一種快速計算矩陣的常值方法,主要原理是對經過線性器件處理的玻色子的概率分佈進行抽樣分析,從而可以很快地求出一個n×n維矩陣常值的方法。自然界中的粒子分為玻色子和費米子,而光子屬於玻色子,這樣就可以運用光子實現玻色取樣實驗。

從計算復雜度的角度來看,隨著光子數的增加求解步數呈指數上漲。對於這樣一個經典計算異常困難的問題,在中小規模下就可以打敗超級計算機。因此,“玻色取樣”這個問題被量子計算領域的科學傢盯上瞭,準備拿它小試牛刀,挑戰經典計算機。

同樣,為什麼隨機量子線路經典計算機很難模擬?舉個例子來說,比如一個50比特的隨機量子線路采樣,最終輸出的量子態的態空間的維度是250,如果使用經典計算機模擬,首先要存儲如此高維度的量子態是極其困難的,其次,在如此高維的計算空間上,模擬每一層的量子計算操作,直至輸出最終的計算結果,更是難上加難!

而利用超導量子比特實現隨機線路取樣和利用光子實現玻色取樣,是目前國際學術界公認的演示量子計算優越性的兩大途徑。在第二種路線上,中科大團隊一直保持國際領先。2019年,他們實現瞭20光子輸入60×60模式幹涉線路的玻色取樣量子計算,輸出狀態空間維數高達370萬億,其復雜度相當於48個量子比特,逼近瞭“量子計算優越性”。

此次,潘建偉團隊通過自主研制同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規模擴展能力的量子光源,成功構建瞭76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”。這個成果牢固確立瞭我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位,為未來實現可解決具有重大實用價值問題的規模化量子模擬機奠定瞭技術基礎。此外,基於“九章”量子計算原型機的高斯玻色取樣算法在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用,將是後續發展的重要方向。

讓夢想量子計算走進現實

2019年10月23日,權威雜志《自然》刊出瞭谷歌量子AI團隊的最新科研工作,在持續重金投入量子計算13年後,成功地用實驗證明“量子優越性”。即在特定任務上,量子計算機可以大大超越經典計算機的計算能力瞭。

對此,加拿大卡爾加裡大學教授、量子科學和技術研究所所長Barry Sanders 認為,去年,谷歌取得瞭一項巨大的成果,即量子計算優越性,但這是有爭議的。谷歌的結果是,他們擁有一臺量子計算機,其性能比其他任何經典計算機都要好。然後,IBM對此提出相反的論點:他們並未完全實現,質疑是否真正達到瞭量子計算優越性。

面對“九章”所證明的“量子計算優越性”,Barry Sanders則毫不吝嗇地稱贊:“我認為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,取得的結果遠遠超出瞭傳統機器的模擬能力。這個實驗技術挑戰非常巨大。為瞭獲得此結果,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,他們做成瞭,讓夢想走進現實。”

畢竟,經典算法的發展以及超算上的工程化實現,還有提升空間。“量子優越性”本身也是經典計算和量子計算博弈和演進的過程。谷歌宣稱的“量子優越性”,目的僅僅是為瞭在實驗上證明量子計算機確實有超越目前最強超算的能力,這並不意味著已經實現瞭實用化的量子計算機。“量子優越性”對於量子計算的發展,僅僅是一個開始。

對此,潘建偉表示,量子優越性實驗並不是一蹴而就的工作,而是更快的經典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭,最終量子並行性會產生經典計算機無法企及的算力。