玻色取样逼近里程碑：量子计算未来可期

科技日报记者 吴长锋

近期，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等与中外科学家合作，在国际上首次实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算，输出了复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，其维数高达三百七十万亿。这个工作同时在光子数、模式数、计算复杂度和态空间这四个关键指标上都大幅超越之前的国际记录，其中，态空间维数比国际同行之前的光量子计算实验高百亿倍。国际学术权威期刊《物理评论快报》以“编辑推荐”形式刊发了他们的研究论文，美国物理学会Physics网站也以“玻色取样量子计算逼近里程碑”为题做了精选报道。

图片来源：视觉中国

显示“量子霸权”的两种途径

由于量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，在一些具有重大社会和经济价值的问题方面相比经典计算机实现指数级别的加速，当前已成为前沿科学的最大挑战之一和世界各国角逐的焦点。

这当中，量子计算研究的第一个阶段性目标，是实现“量子计算优越性”（亦译为“量子霸权”），即研制出量子计算原型机在特定任务的求解方面超越经典的超级计算机。

而利用超导量子比特实现随机线路取样和利用光子实现玻色取样，是目前国际学术界公认的演示量子计算优越性的两大途径。在第二种路线上，中科大团队一直保持国际领先。此次他们实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算，输出状态空间维数高达三百七十万亿，其复杂度相当于48个量子比特，逼近谷歌最近报道的53个超导量子比特。

事实上，量子计算机的研制是一个极具挑战并且周期可能较长的工作。为了推动量子计算机的研制，我们必须把其分成一个个的小目标，不断逐次突破。其中的第一个小目标就是“量子优越性”(Quantum Supremacy)，指的是量子计算机在某个特定问题上的计算能力远超过性能最好的超算，证明量子计算机的优越性。因此，“量子优越性”被认为是量子计算发展道路上的一个重要里程碑。

上面提到的量子计算“特定任务”，是指经过精心设计，非常适合于量子计算设备发挥其计算潜力的问题。这类问题包括随机量子线路采样、IQP线路、玻色采样。而谷歌量子AI团队所针对的问题是随机量子线路采样。

面向这一战略目标，中国科大团队长期致力于可扩展单光子源和玻色取样量子计算的研究。2013年，他们在国际上首创量子点脉冲共振激发，解决了单光子源的确定性和高品质这两个基本问题；2016年， 产生了国际最高效率的全同单光子源，并在此基础上，于2017年初步应用于构建超越早期经典计算能力的针对波色取样问题的光量子计算原型机，其取样速率比国际上当时的实验提高24000多倍。

2019年，中国科大研究组在实验上同时解决了单光子源所存在的混合偏振和激光背景散射这两个最后的难题：成功研制出了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的单光子源。

量子计算领域的一个里程碑

此次，中国科大研究组利用自主发展的国际最高效率和最高品质单光子源、最大规模和最高透过率的多通道光学干涉仪，成功实现了20光子输入60×60模式（即：60个输入口，60层的线路深度，包括396个分束器和108个反射镜）干涉线路的玻色取样实验。

这一成果与牛津大学、维也纳大学、法国国家科学院、布里斯托大学、昆士兰大学、罗马大学、麻省理工学院、马里兰大学等国际同行的类似工作相比，实验成功操纵的单光子数增加了5倍，模式数增加了5倍，取样速率提高了6万倍，输出态空间维数提高了百亿倍。其中，由于多光子高模式特性，输出态空间达到了三百七十万亿维数，等效于48个量子比特展开的希尔伯特空间。

因此，实验首次将玻色取样推进到一个全新的区域：无法通过经典计算机直接全面验证该波色取样量子计算原型机，朝着演示量子计算优越性的科学目标迈出了关键的一步。

为什么随机量子线路经典计算机很难模拟？举个例子来，比如一个50比特的随机量子线路采样，最终输出的量子态的态空间的维度是250，如果使用经典计算机模拟，首先要存储如此高维度的量子态是极其困难的，其次，在如此高维的计算空间上，模拟每一层的量子计算操作，直至输出最终的计算结果，更是难上加难！

因此，审稿人指出：这个工作是“一个巨大的飞跃”、“更是通往实现量子计算优越性的弹簧跳板”。美国物理学会Physics网站 总结指出：“这意味着量子计算领域的一个里程碑：接近经典计算机不能模拟量子系统的地步。”

量子计算，未来可期

2019年10月23日，权威杂志《自然》刊出了谷歌量子AI团队的最新科研工作，在持续重金投入量子计算13年后，成功地用实验证明“量子优越性”。即在特定任务上，量子计算机可以大大超越经典计算机的计算能力了。

论文报道了谷歌团队基于一个包含53个可用量子比特的可编程超导量子处理器，运行随机量子线路进行采样，耗时约200秒可进行100万次采样，并且估计如果使用目前最强超算Summit来计算得到同样的结果，需耗费约 1 万年。据此，谷歌宣称实现了“量子霸权”。

实际上，“量子优越性”代表了两个方面的竞争，一方面量子芯片的比特数和性能不断扩张，在某些问题上展现出极强的计算能力；另一方面，经典算法和模拟的工程化实现也可以不断优化，提升经典算法的效率和计算能力。所以，如果能够提升经典模拟的能力，那么谷歌的量子设备有可能就无法打败最强超算，从而“称霸”失败。

对于谷歌的“称霸”，IBM是第一个跳出来表示“不服”的。IB指出谷歌对随机量子线路的经典模拟优化得并不好，如果采用内存和硬盘混合存储方案，模拟53比特、20深度的量子随机线路采样，仅需2.5天。IBM还宣称这只是他们保守的估计，可谓“一万年太久，只争朝夕”。

毕竟，经典算法的发展以及超算上的工程化实现，还有提升空间。“量子优越性”本身也是经典计算和量子计算博弈和演进的过程。谷歌此次宣称的“量子优越性”，目的仅仅是为了在实验上证明量子计算机确实有超越目前最强超算的能力，这并不意味着已经实现了实用化的量子计算机。“量子优越性”对于量子计算的发展，仅仅是一个开始。

今年9月份，在合肥举办的新兴量子技术国际大会的白皮书指出，量子计算研究可以沿如下路线开展：“第一个阶段是实现量子优越性，即针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，这一阶段性目标将在近期实现；第二个阶段是实现具有应用价值的专用量子模拟系统；第三个阶段是实现可编程的通用量子计算机，还需要全世界学术界的长期艰苦努力。”

实现“量子霸权”绝不是终点，而是一个起点。量子计算，未来可期。

来源：科技日报

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编辑：李俊霞

审核：王小龙

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