“九章”解讀

龍學(xué)鋒

2020年12月4日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，該校潘建偉團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作成功構(gòu)建的76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，求解數(shù)學(xué)算法“高斯玻色取樣”只需200秒，而目前世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)要用6億年。這一突破使中國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家，牢固確立了中國(guó)在國(guó)際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位。什么是“量子優(yōu)越性”“高斯玻色取樣”？“九章”優(yōu)勝在何處？量子計(jì)算機(jī)距離我們生活還有多遠(yuǎn)？

什么是“量子優(yōu)越性”

量子優(yōu)越性是一個(gè)科學(xué)術(shù)語，是指在某個(gè)特定問題上，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)將所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為0或1，而量子計(jì)算機(jī)利用量子力學(xué)的原理，可以允許一個(gè)物體同時(shí)處于多種狀態(tài)，實(shí)行“并行計(jì)算”。 正是因?yàn)檫@種能力，量子計(jì)算機(jī)一旦實(shí)用化，將會(huì)在很多領(lǐng)域取得革命性的成果。因此，近年來世界各國(guó)研究人員展開的研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。

2019年9月，美國(guó)谷歌公司宣布研制出53個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)“懸鈴木”，對(duì)一個(gè)數(shù)學(xué)問題的計(jì)算只需200秒，而當(dāng)時(shí)世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂峰”需要1萬年，因此他們?cè)谌蚴状螌?shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。 相比“懸鈴木”，“九章”有三大優(yōu)勢(shì)：一是速度更快。雖然算的不是同一個(gè)數(shù)學(xué)問題，但與最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)等效比較，“九章”比“懸鈴木”快100億倍。二是環(huán)境適應(yīng)性?！皯意從尽毙枰?273.12℃的運(yùn)行環(huán)境，而“九章”除了探測(cè)部分需要-269.12℃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?！皯意從尽敝挥性谛颖镜那闆r下快于超級(jí)計(jì)算機(jī)，“九章”在小樣本和大樣本上均快于超級(jí)計(jì)算機(jī)。

什么是“高斯玻色取樣”

量子計(jì)算機(jī)具有超快并行計(jì)算能力，它通過特定算法在一些重大問題方面實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。“九章”解決的“高斯玻色取樣”問題就是一種。“高斯玻色取樣”是一個(gè)計(jì)算概率分布的算法，可用于編碼和求解多種問題，其計(jì)算難度呈指數(shù)增長(zhǎng)，很容易超出目前超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，適合量子計(jì)算機(jī)來探索解決。

這有點(diǎn)像一種叫高爾頓板的游戲：小球從上端的口落下，每經(jīng)過一個(gè)釘板，都有一半的可能從左邊走，一半的可能從右邊走，最后，當(dāng)很多小球扔下去后，下面格子里的小球分布會(huì)呈現(xiàn)一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

高斯玻色取樣就是量子版本的高爾頓板，實(shí)際情況更為復(fù)雜，非常適合量子計(jì)算機(jī)來解決。小球變成了光子，釘板變成了分束器，若干個(gè)光子進(jìn)入網(wǎng)格之后，經(jīng)過分束器組成的干涉儀，最終分別在哪些出口被探測(cè)到并記錄下來，就是一個(gè)采樣。積累之后，光子數(shù)也會(huì)有一個(gè)分布，每一種采樣結(jié)果都對(duì)應(yīng)一個(gè)概率，全部可能的采樣結(jié)果就構(gòu)成輸出態(tài)的態(tài)空間。在本研究中，潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。“九章”的算力究竟有多強(qiáng)？在室溫條件下運(yùn)行（除光子探測(cè)部分需4K低溫），計(jì)算“高斯玻色取樣”問題，“九章”處理5000萬個(gè)樣本只需200秒，而目前世界上最快的傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”需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)則需要1200億年—而宇宙年齡不過約137億年。

量子計(jì)算機(jī)距離實(shí)用化還有多遠(yuǎn)

雖然“九章”和“懸鈴木”都實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性，但“九章”進(jìn)行的計(jì)算是“高斯玻色取樣”，而“懸鈴木”開展的計(jì)算是輸出特殊傾向的隨機(jī)數(shù)列。這都是為量子計(jì)算機(jī)量身打造的特殊計(jì)算，目前的量子計(jì)算機(jī)還無法在通用計(jì)算方面達(dá)成量子優(yōu)越性。量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展將有三個(gè)階段：第一階段，研制50個(gè)到100個(gè)量子比特的專用量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性里程碑式突破；第二階段，研制可操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，解決一些超級(jí)計(jì)算機(jī)無法勝任、具有重大實(shí)用價(jià)值的問題，比如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等；第三階段，大幅提高量子比特的操縱精度、集成數(shù)量和容錯(cuò)能力，研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。目前，“九章”還處在第一階段。真正實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)則要到第三階段。能在各領(lǐng)域使用的通用型量子計(jì)算機(jī)必須要具備的一個(gè)特征，就是糾錯(cuò)機(jī)制。實(shí)際上，傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)也可能因?yàn)槟承┰虺霈F(xiàn)電子信號(hào)變強(qiáng)或變?nèi)?，從而?dǎo)致發(fā)生計(jì)算錯(cuò)誤，因此，傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)也具備各種糾錯(cuò)機(jī)制。但是對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來說，糾錯(cuò)機(jī)制尤為重要。量子計(jì)算機(jī)利用微觀物質(zhì)所遵從的量子力學(xué)性質(zhì)，所以不能照搬傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的糾錯(cuò)機(jī)制。現(xiàn)在科學(xué)家正在研究利用“量子糾纏”的狀態(tài)來進(jìn)行糾錯(cuò)。這種糾錯(cuò)機(jī)制需要很多的量子比特。研究者猜測(cè)，要想實(shí)現(xiàn)帶有糾錯(cuò)功能的通用型量子計(jì)算機(jī)，一般認(rèn)為至少需要1萬～100萬個(gè)量子比特?，F(xiàn)階段的規(guī)模是完全不夠的。另外，增加量子比特個(gè)數(shù)并不是那么簡(jiǎn)單的事情，如果單純地增加量子比特的個(gè)數(shù)，就很難再保持機(jī)器的精度，各種線路也會(huì)變得更復(fù)雜，反而更容易產(chǎn)生錯(cuò)誤。所以，要實(shí)現(xiàn)1萬～100萬個(gè)量子比特這樣的規(guī)模，最快也是10～20年之后的事情了。

潘建偉透露，在“九章”量子計(jì)算原型機(jī)的基礎(chǔ)上，他們研究組將通過提高量子比特的操縱精度等一系列技術(shù)攻關(guān)，力爭(zhēng)盡早研制出可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)?！跋Ｍ軌蛲ㄟ^15年到20年的努力，研制出通用的量子計(jì)算機(jī)，用以解決一些應(yīng)用非常廣泛的問題，比如密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)等，同時(shí)也可以用于進(jìn)一步探索物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)領(lǐng)域的一些復(fù)雜問題?！?h3>將來有了量子計(jì)算機(jī)，互聯(lián)網(wǎng)還安全嗎

有科學(xué)家認(rèn)為，隨著量子計(jì)算機(jī)的落地，未來的網(wǎng)絡(luò)安全將面臨巨大問題，比如量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大算力將把目前的傳統(tǒng)安全算法體系徹底擊垮?，F(xiàn)在，為了保證互聯(lián)網(wǎng)通信的隱匿性，通常采用一種叫作“RSA算法”的加密方法。這種加密方法所基于的數(shù)學(xué)原理是：巨大整數(shù)的素因數(shù)分解十分困難，即“把兩個(gè)巨大的素?cái)?shù)相乘得到的整數(shù)再進(jìn)行素因數(shù)分解，求解出原本的兩個(gè)素?cái)?shù)在事實(shí)上是不可能的”。如此一來，便可以保證加密的安全性。如果用目前的超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)巨大整數(shù)進(jìn)行素因數(shù)分解，所需要的時(shí)間會(huì)長(zhǎng)到無法想象。但是，量子計(jì)算機(jī)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)巨大整數(shù)進(jìn)行素因數(shù)分解所使用的量子算法（舒爾算法）已經(jīng)公開。換句話說，量子計(jì)算有望以極短的時(shí)間破解基于“RSA算法”的加密方法。所以有人認(rèn)為將來互聯(lián)網(wǎng)的安全性會(huì)遭到致命性的破壞。不過，目前研究者已經(jīng)開始研發(fā)即使用量子計(jì)算機(jī)也解密不了的加密方式，因此某一天加密算法突然失效的情況應(yīng)該不會(huì)出現(xiàn)。