“九章”量子计算机为何这么牛
龙学锋《百科知识》
2020年12月4日，中国科学技术大学宣布，该校潘建伟团队和中国科学院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作成功构建的76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法“高斯玻色取样”只需200秒，而目前世界上最快的超级计算机要用6亿年。
这一突破使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家，牢固确立了中国在国际量子计算研究中的第一方阵地位。
什么是“量子优越性”“高斯玻色取样”？“九章”优胜在何处？量子计算机距离我们生活还有多远？
什么是“量子优越性”
量子优越性是一个科学术语，是指在某个特定问题上，量子计算机的计算能力远超传统计算机。 传统计算机将所有数据存储为0或1，而量子计算机利用量子力学的原理，可以允许一个物体同时处于多种状态，实行“并行计算”。正是因为这种能力，量子计算机一旦实用化，将会在很多领域取得革命性的成果。因此，近年来世界各国研究人员展开的研发竞争非常激烈。 2019年9月，美国谷歌公司宣布研制出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学问题的计算只需200秒，而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需要1万年，因此他们在全球首次实现了“量子优越性”。相比“悬铃木”，“九章”有三大优势：一是速度更快。虽然算的不是同一个数学问题，但与最快的超级计算机等效比较，“九章”比“悬铃木”快100亿倍。二是环境适应性。“悬铃木”需要-273.12℃的运行环境，而“九章”除了探测部分需要-269.12℃的环境外，其他部分可以在室温下运行。三是弥补了技术漏洞。“悬铃木”只有在小样本的情况下快于超级计算机，“九章”在小样本和大样本上均快于超级计算机。
什么是“高斯玻色取样”
量子计算机具有超快并行计算能力，它通过特定算法在一些重大问题方面实现指数级别的加速。“九章”解决的“高斯玻色取样”问题就是一种。
“高斯玻色取样”是一个计算概率分布的算法，可用于编码和求解多种问题，其计算难度呈指数增长，很容易超出目前超级计算机的计算能力，适合量子计算机来探索解决。
高尔顿板游戏：小球从上端的口落下，每经过一个钉板，都有一半的可能从左边走，一半的可能从右边走，最后，当很多小球扔下去后，下面格子里的小球分布会呈现一定的统计规律。
高斯玻色取样就是量子版本的高尔顿板，实际情况更为复杂，非常适合量子计算机来解决。小球变成了光子，钉板变成了分束器，若干个光子进入网格之后，经过分束器组成的干涉仪，最终分别在哪些出口被探测到并记录下来，就是一个采样。积累之后，光子数也会有一个分布，每一种采样结果都对应一个概率，全部可能的采样结果就构成输出态的态空间。
在本研究中，潘建伟团队构建的76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了“高斯玻色取样”任务的快速求解。“九章”的算力究竟有多强？在室温条件下运行（除光子探测部分需4K低温），计算“高斯玻色取样”问题，“九章”处理5000万个样本只需200秒，而目前世界上最快的传统超级计算机“富岳”需6亿年；处理100亿个样本，“九章”只需10小时，超级计算机则需要1200亿年——而宇宙年龄不过约137亿年。
量子计算机距离实用化还有多远
虽然“九章”和“悬铃木”都实现了量子优越性，但“九章”进行的计算是“高斯玻色取样”，而“悬铃木”开展的计算是输出特殊倾向的随机数列。这都是为量子计算机量身打造的特殊计算，目前的量子计算机还无法在通用计算方面达成量子优越性。量子计算机的发展将有三个阶段：第一阶段，研制50个到100个量子比特的专用量子计算机，实现量子优越性里程碑式突破；第二阶段，研制可操纵数百个量子比特的量子模拟机，解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题，比如量子化学、新材料设计、优化算法等；第三阶段，大幅提高量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力，研制可编程的通用量子计算原型机。 目前，“九章”还处在第一阶段。真正实用的量子计算机的出现则要到第三阶段。能在各领域使用的通用型量子计算机必须要具备的一个特征，就是纠错机制。实际上，传统电子计算机也可能因为某些原因出现电子信号变强或变弱，从而导致发生计算错误，因此，传统电子计算机也具备各种纠错机制。但是对于量子计算机来说，纠错机制尤为重要。量子计算机利用微观物质所遵从的量子力学性质，所以不能照搬传统电子计算机的纠错机制。现在科学家正在研究利用“量子纠缠”的状态来进行纠错。这种纠错机制需要很多的量子比特。研究者猜测，要想实现带有纠错功能的通用型量子计算机，一般认为至少需要1万～100万个量子比特。现阶段的规模是完全不够的。另外，增加量子比特个数并不是那么简单的事情，如果单纯地增加量子比特的个数，就很难再保持机器的精度，各种线路也会变得更复杂，反而更容易产生错误。所以，要实现1万～100万个量子比特这样的规模，最快也是10～20年之后的事情了。 潘建伟透露，在“九章”量子计算原型机的基础上，他们研究组将通过提高量子比特的操纵精度等一系列技术攻关，力争尽早研制出可编程的通用量子计算原型机。“希望能够通过15年到20年的努力，研制出通用的量子计算机，用以解决一些应用非常广泛的问题，比如密码分析、气象预报、药物设计等，同时也可以用于进一步探索物理学、化学、生物学领域的一些复杂问题。”
