“九章”問世，挑戰(zhàn)谷歌，我們何時才能實現(xiàn)“量子霸權(quán)”

2019年，谷歌率先宣布實現(xiàn)“量子霸權(quán)”（量子優(yōu)越性），一把把量子計算推入公眾視野，激起量子計算領(lǐng)域的千層浪。就在近日，中國團(tuán)隊宣布量子計算機(jī)“九章”問世，挑戰(zhàn)谷歌“量子霸權(quán)”實現(xiàn)算力全球領(lǐng)先。

“九章”作為一臺76個光子100個模式的量子計算機(jī)，其處理“高斯玻色取樣”的速度比目前最快的超級計算機(jī)“富岳”快一百萬億倍。史上第一次，一臺利用光子構(gòu)建的量子計算機(jī)的表現(xiàn)超越了運算速度最快的經(jīng)典超級計算機(jī)。

同時，“九章”也等效地比谷歌去年發(fā)布的53個超導(dǎo)比特量子計算機(jī)原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。這一突破使我國成為全球第二個實現(xiàn)“量子霸權(quán)”的國家，也將量子計算研究推進(jìn)下一個里程碑。

“九章”得以成為世界級重大科研成果，再一次，關(guān)于量子計算、量子霸權(quán)的討論紛至沓來?！傲孔影詸?quán)”在“霸權(quán)”什么？我們何時才能實現(xiàn)“量子霸權(quán)”？

量子霸權(quán)擂臺賽

在經(jīng)典計算機(jī)中，信息的基本單位是位（Bit）。所有這些計算機(jī)所做的事情都可以被分解成 0s 和 1s 的模式，以及 0s 和 1s 的簡單操作。不同于經(jīng)典計算，量子計算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計算的新型計算模式，在1981 年被著名物理學(xué)家費曼首次提出。

基于量子計算的量子計算機(jī)由量子比特（quantum bits）或量子位（qubits）構(gòu)成，一個量子比特對應(yīng)一個狀態(tài)（state）。但是，比特的狀態(tài)是一個數(shù)字（0 或 1），而量子比特的狀態(tài)是一個向量。更具體地說，量子位的狀態(tài)是二維向量空間中的向量，這個向量空間稱為狀態(tài)空間。

經(jīng)典計算使用二進(jìn)制的數(shù)字電子方式進(jìn)行運算，而二進(jìn)制總是處于0或1的確定狀態(tài)。于是，量子計算借助量子力學(xué)的疊加特性，能夠?qū)崿F(xiàn)計算狀態(tài)的疊加。即不僅包含0和1，還包含0和1同時存在的疊加態(tài)（superposition）。

普通計算機(jī)中的2位寄存器一次只能存儲一個二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11中的一個），而量子計算機(jī)中的2位量子比特寄存器可以同時保持所有4個狀態(tài)的疊加。當(dāng)量子比特的數(shù)量為n個時，量子處理器對n個量子位執(zhí)行一個操作就相當(dāng)于對經(jīng)典位執(zhí)行2n個操作。

此外，加上量子糾纏的特性，量子計算機(jī)相較于當(dāng)前使用最強算法的經(jīng)典計算機(jī)，理論上將在一些具體問題上有更快的處理速度和更強的處理能力。

2019年，谷歌宣布率先實現(xiàn)“量子霸權(quán)”。根據(jù)谷歌的論文，該團(tuán)隊將其量子計算機(jī)命名為“懸鈴木”，處理的問題大致可以理解為“判斷一個量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是否真的隨機(jī)”。

“懸鈴木”包含53個量子比特的芯片，僅需花200秒就能對一個量子線路取樣一百萬次，而相同的運算量在當(dāng)今世界最大的超級計算機(jī)Summit上則需要1萬年才能完成。

200秒之于一萬年，如果這是雙方的最佳表現(xiàn)，便意味著，量子計算對于超級計算壓倒性的優(yōu)勢。因此，這項工作也被認(rèn)為是人類歷史上首次在實驗環(huán)境中驗證了量子優(yōu)越性，被《Nature》認(rèn)為在量子計算的歷史上具有里程碑意義。

而此次的“九章”卻在“懸鈴木”的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步。

“懸鈴木”量子優(yōu)越性的實現(xiàn)依賴其樣本數(shù)量。事實上，雖然采集100萬個樣本時，“懸鈴木”僅需要 200 秒，超算 Summit 則需要 2 天，量子計算相比于超級計算機(jī)有優(yōu)越性。但如果采集 100 億個樣本的話，經(jīng)典計算機(jī)仍然只需要2天，可是“懸鈴木”卻需要 20 天才能完成這么大的樣本采樣。在這樣的條件下，量子計算反而喪失了優(yōu)越性。

然而，“九章”所解決的高斯玻色采樣問題，其量子計算優(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量。同時，從等效速度來看，“九章”在同樣的賽道上，比“懸鈴木”還快了一百億倍。根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”花 200 秒采集到的 5000 個樣本，如果用我國的“太湖之光”，需要運行 25 億年。即使運用目前世界排名第一的超級計算機(jī)“富岳”，也需要 6 億年。

此外，在態(tài)空間方面，“九章”也以輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)到 1030 的優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于“懸鈴木”?？梢哉f，“九章”的出色表現(xiàn)，牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，更是量子計算領(lǐng)域的一個重大成就。

實現(xiàn)量子霸權(quán)是一場持久戰(zhàn)

量子霸權(quán)并不具有像其詞義所表示的政治含義，而是一個單純的科學(xué)術(shù)語，是說量子計算機(jī)在某個問題上超越現(xiàn)有的最強的經(jīng)典計算機(jī)而稱為“量子優(yōu)越性”，也叫“量子霸權(quán)”。

基于量子的疊加性，許多量子科學(xué)家認(rèn)為，量子計算機(jī)在特定任務(wù)上的計算能力將會遠(yuǎn)超任何一臺經(jīng)典計算機(jī)。但從目前來看，實現(xiàn)量子霸權(quán)仍然是一場持久戰(zhàn)。

究其原因，則與量子霸權(quán)實現(xiàn)的條件相關(guān)?？茖W(xué)家們認(rèn)為，當(dāng)可以精確操縱的量子比特超過一定數(shù)目時，量子霸權(quán)就可能實現(xiàn)。這包含了兩個關(guān)鍵點，一是操縱的量子比特的數(shù)量，二是操縱的量子比特的精準(zhǔn)度。只有當(dāng)兩個條件都達(dá)到的時候，才能實現(xiàn)量子計算的優(yōu)越性。

然而，不論是用54個量子位實現(xiàn)了量子霸權(quán)的“懸鈴木”，還是構(gòu)建了 76個光子實現(xiàn)量子霸權(quán)的量子計算原型機(jī)“九章”，雖然人們操縱量子比特的數(shù)量在不斷提高，但人們?nèi)孕杳鎸α孔佑嬎憔珳?zhǔn)度和不可小覷的超算工程潛力。

其中，量子比特能夠維持量子態(tài)的時間長度，被稱為量子比特相干時間。其維持“疊加態(tài)”（量子比特同時代表1和0）時間越長，它能夠處理的程序步驟就越多，因而可以進(jìn)行的計算就越復(fù)雜。而當(dāng)量子比特失去相干性時，信息就會丟失。因此，量子計算技術(shù)還需要面臨如何去控制，以及如何去讀取量子比特，然后在讀取和控制達(dá)到比較高的保真度之后，去對量子系統(tǒng)做量子糾錯的操作。

同時，經(jīng)典計算的算法和硬件也在不斷優(yōu)化，超算工程的潛力更是不可小覷。比如，IBM 就宣稱，實現(xiàn) 53 比特、20 深度的量子隨機(jī)線路采樣，經(jīng)典模擬完全可以只用兩天多時間，甚至還可以更好。

正如前述，“懸鈴木”量子優(yōu)越性的實現(xiàn)依賴其樣本數(shù)量。當(dāng)采集100萬個樣本時，“懸鈴木”將比于超級計算機(jī)將擁有絕對優(yōu)勢，而當(dāng)采集 100 億個樣本的話，經(jīng)典計算機(jī)仍然只需要2天，可是“懸鈴木”卻需要 20 天才能完成這么大的樣本采，使得量子計算反而喪失了優(yōu)越性。

此外，很長一段時間里，量子計算機(jī)的優(yōu)越性都只針對特定任務(wù)。比如，谷歌的量子計算機(jī)就針對的是一種叫做“隨機(jī)線路采樣（Random Circuit Sampling）”的任務(wù)。一般來說，選取這種特定任務(wù)的時候，需要經(jīng)過精心考量，該任務(wù)最好比較適合已有的量子體系，同時對于經(jīng)典計算來說很難模擬。

這意味著，量子計算機(jī)并不是對所有的問題都超過經(jīng)典計算機(jī)，而是只對某些特定的問題超過經(jīng)典計算機(jī)，因其對這些特定的問題設(shè)計出高效的量子算法。對于沒有量子算法的問題，量子計算機(jī)則不具有優(yōu)勢。

事實上，這也是此次“九章”創(chuàng)造性突破所在?！熬耪隆倍窝菔镜摹傲孔影詸?quán)”不僅證明了原理，更有跡象表明，“高斯玻色取樣”可能有實際用途，例如解決量子化學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的專門問題。更廣泛地說，掌握控制作為量子比特的光子的能力是構(gòu)建任何大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)的先決條件。

但總的來說，不論是從量子計算的數(shù)量還是精度，是經(jīng)典計算的潛力或者局限，量子計算和經(jīng)典計算的競爭都將是一個長期的動態(tài)過程。

用人們?nèi)粘５难酃鈦砜?，量子物理學(xué)中的一些事物看起來“毫無章法”，有的似乎完全說不通。但這正是量子力學(xué)的迷人之處，使之成為了科學(xué)家們努力的意義所在。對于量子力學(xué)的詮釋可以理解成物理學(xué)家在嘗試找到量子力學(xué)的數(shù)學(xué)理論與現(xiàn)實世界的某種“對應(yīng)”。從更深層的角度來看，每種詮釋都反映著某種世界觀。

人們欣喜于每一次技術(shù)的突破，也正是在這些努力中，人類文明才能不斷前進(jìn)。正如此次量子計算機(jī)被命名為“九章”一樣，那來自《九章算術(shù)》的中國古代教科書般的意義，也寄托了人們對未來世界的想像和愿望。

責(zé)任編輯：xj