“九章”問世　量子計(jì)算真的要來了？

李佳師

12月4日，據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)消息，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。根據(jù)現(xiàn)有理論，該量子計(jì)算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍。

也是在12月4日，英特爾在其全球研究院開放日活動(dòng)上宣布推出第二代Horse Ridge低溫量子控制芯片，標(biāo)志著其在量子計(jì)算可擴(kuò)展性上取得里程碑進(jìn)展，因?yàn)榭蓴U(kuò)展性是全球量子計(jì)算的最大難點(diǎn)之一。

“九章”和Horse Ridge對(duì)于量子計(jì)算的發(fā)展有哪些意義？他們突破了哪些量子計(jì)算難點(diǎn)？目前量子計(jì)算各家技術(shù)路線分別面臨什么問題？

攻克三大技術(shù)難題

“九章”取得重大突破

潘建偉院士團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)原形機(jī)取名“九章”，是為了紀(jì)念中國(guó)古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。據(jù)介紹，目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”對(duì)于處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬(wàn)億倍，等效地比谷歌去年發(fā)布的53比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。同時(shí)，通過高斯玻色取樣證明量子計(jì)算優(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量，克服了谷歌53比特隨機(jī)線路取樣實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞?！熬耪隆陛敵隽孔討B(tài)空間規(guī)模達(dá)到了1030（“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)模是1016，目前壘世界的存儲(chǔ)容量是1022）。

這一成果的相關(guān)論文于12月4日在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。潘建偉團(tuán)隊(duì)一直在光量子信息處理方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平。2017年，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)（ENLAC）的光量子計(jì)算原型機(jī)。2019年，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國(guó)際最高性能單光子源，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)量子比特的希爾伯特態(tài)空間，逼近了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

據(jù)悉，潘建偉團(tuán)隊(duì)這次突破主要是攻克了高品質(zhì)光子源、高精度鎖相、規(guī)?；缮嫒齻€(gè)技術(shù)難題。而基于“九章”量子計(jì)算原型機(jī)的高斯玻色取樣算法在圖論、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。本源量子計(jì)算機(jī)公司副總經(jīng)理張輝在接受《中國(guó)電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示，“九章”取得了很大的突破，水準(zhǔn)很高。光學(xué)量子計(jì)算機(jī)在早期科研方面可以發(fā)揮很大作用，但其工程化難度較大。

光學(xué)量子與電學(xué)量子

兩大路線各具特色

量子計(jì)算被視為“皇冠上的明珠”，全球諸多大公司都投入這場(chǎng)明珠爭(zhēng)奪戰(zhàn)。目前量子計(jì)算主要分為固態(tài)器件（也可稱之為電學(xué)路線）和光學(xué)路線兩大類量子計(jì)算路線。IBM與谷歌所走的是超導(dǎo)量子計(jì)算路線，英特爾所走的是半導(dǎo)體量子技術(shù)路線，無論是超導(dǎo)還是半導(dǎo)體都屬于固態(tài)器件路線，都屬于電學(xué)路線。所以谷歌、IBM、英特爾這三家公司屬于“固態(tài)器件路線派”。

“九章屬于光學(xué)路線?！睆堓x表示，“光學(xué)路線的光量子在相干時(shí)間上有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楣馐墉h(huán)境干擾比較少。但是其可操控性較弱，而且與經(jīng)典計(jì)算很難實(shí)現(xiàn)兼容。所以包括IBM、英特爾、谷歌等都沒有選光學(xué)，而是選擇了固態(tài)器件。這樣可以借用固態(tài)器件上的工藝，實(shí)現(xiàn)器件的小型化。目前世界上80%以上的量子計(jì)算都采用了固態(tài)器件的路線，因?yàn)樗泻芎玫墓I(yè)基礎(chǔ)，而且與經(jīng)典計(jì)算能夠更好地融合，更容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、工程化。”

“英特爾之所以選擇固態(tài)器件路線，因?yàn)樗容^有現(xiàn)實(shí)意義，是能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化的系統(tǒng)。量子計(jì)算機(jī)要成為商業(yè)化的系統(tǒng)需要具備幾卜條件：一是解決穩(wěn)定性，有足夠多可用的、高質(zhì)量的、穩(wěn)定的量子。二是需要實(shí)現(xiàn)操控性，因?yàn)橐刂破浣诲e(cuò)、相干、交互等。三是批量化生產(chǎn)硬件?！庇⑻貭栔袊?guó)研究院院長(zhǎng)宋繼強(qiáng)在接受《中國(guó)電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示，“英特爾今天推出的Horse Ridge II低溫量子控制芯片，解決的是第二步的問題。”

宋繼強(qiáng)進(jìn)一步表示，目前業(yè)界使用的微波器件主要是常溫態(tài)，而量子是在極低溫的環(huán)境中才能存在的。要做成系統(tǒng)，就需要將常溫態(tài)的器件與低溫態(tài)的量子進(jìn)行連接，這就相當(dāng)于要將很多電纜綁在一起穿進(jìn)大冰箱中，其中有串?dāng)_、衰減等等問題。Horse RidgeII低溫控制芯片解決的就是這個(gè)問題，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了量子電路的控制，提高保真度，降低功率輸出，這樣集成量子電路才有可能往前邁進(jìn)一步，量子計(jì)算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)商用才有可能性。

光學(xué)路線與電學(xué)路線量子計(jì)算，究竟哪種在未來會(huì)更成功，業(yè)界并沒有給出定論，但是從與經(jīng)典計(jì)算的兼容、從現(xiàn)有工藝與產(chǎn)業(yè)資源的成熟度、商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化等綜合維度來看，固態(tài)器件都有明顯的優(yōu)勢(shì)，這也就是為什么包括谷歌、IBM、英特爾等都選擇了該方向的技術(shù)路線進(jìn)行探索的原因。

“如果光學(xué)量子要發(fā)展，最后也需要與電學(xué)進(jìn)行集成和兼容，因?yàn)槟壳皬墓鈱W(xué)路線看，其集成化、小型化、工程化難度都比較大?！睆堓x對(duì)記者表示，“真正衡量量子計(jì)算能力是看用它來解決問題消耗的資源與經(jīng)典計(jì)算相比，誰(shuí)消耗的資源更小?！?/p>

有國(guó)外專家表示，潘建偉、陸朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了巨大的技術(shù)突破，水平遠(yuǎn)超其他高斯玻色采樣試驗(yàn)。除了量子計(jì)算，該項(xiàng)突破在量子通信方面也有很大裨益，能幫助建立量子通信網(wǎng)絡(luò)和量子互聯(lián)網(wǎng)。

有信息透露，潘建偉院士旗下同樣有團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行電學(xué)路線的量子計(jì)算研究，只是目前尚未對(duì)外公布。