76个光子、不依赖于样本数量！刚刚，潘建伟团队实现 “量子计算优越性” 里程碑。
北京时间12月4日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队，在Science刊发研究成果《使用光子的量子计算优势》（Quantum computational advantage using photons），该研究也得到了Nature、NewScientist、Physics World等媒体的报道。
陆朝阳告诉 DeepTech：“该研究的大主题已经研究20年左右，具体从2013年开始。本次研究共有二十位左右研究人员参与，四位第一作者都是90后。而谷歌的同类研究则有一百位左右研究人员参与。”
图 | 论文今天凌晨发表在 Science
该团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建出76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机 “九章”，实现了 “高斯玻色取样” 任务的快速求解，而 “九章”的命名旨在纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。
“九章” 处理高斯玻色取样的速度，比目前最快的超级计算机快一百万亿倍，比谷歌超导比特量子计算原型机 “悬铃木” 快一百亿倍。
举例来说，在室温下运行并计算玻色采样问题，同样处理100亿个样本，“九章” 需要10小时，超级计算机需要1200亿年，“悬铃木” 则需20天。
陆朝阳表示：“虽然‘九章’和‘悬铃木’分别被设计用来处理不同问题，但如果都和超算比的话，‘九章’等效地比‘悬铃木’快了一百亿倍，且克服了样本数量依赖的缺陷。” 在输出量子态空间规模上，“九章” 可达到1030，不仅超出目前全世界的存储容量1022，也超出 “悬铃木” 的输出量子态空间规模1016。
图 | “九章” 和 “悬铃木” 的对比
76个光子、100模式干涉线路实现玻色取样
玻色子采样，是证明量子计算优势的有力方式。其最初由计算机科学家 Scott Aaronson 和 Alex Arkhipov 于2011年设计，在证明量子计算优势时，它需要计算玻色子的概率分布情况和粒子的量子波相干。
但这类运算比世界七大数学难题之一的“NP 完全问题”还难，因为解法数量会随着变量增加而呈指数增长。此前，Aaronson 和 Arkhipov 已经证明，如果有数十个玻色子，就不可能找到冗长的经典计算捷径。
而在本次研究中，该团队通过自主研制高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源，从而实现了满足相位稳定、全连通随机矩阵、波包重合度优于99.5%、通过率优于98% 的100模式干涉线路，并实现相对光程10-9以内的锁相精度、以及高效率100通道超导纳米线单光子探测器，最终构建出 “九章”。
图 | 光量子干涉示意图
“九章”研究中的重要步骤是玻色取样，这是一个从高度纠缠的多光子量子态定义的概率分布取样的过程，目的是通过少量关键样本，来获取整体分布的关键信息。
“九章” 中有100个光纤通道，最多可实现76个光子同时进入通道，这些光子由特制的量子光源发出，因此76个光子完全一样。在光纤通道末端，则有高性能光子探测器，来准确捕获每个落下的光子。这一过程必须 “万无一失”，因为光子在50路2米自由空间、与20米光纤光程中的抖动，必须控制在25纳米之内。
图 | “九章” 量子计算原型机光路系统原理图
如上图所示，左上方激光系统可产生高峰值功率飞秒脉冲，而左方25个光源通过参量下转换过程，可产生50路单模压缩态并输入到右方100模式光量子干涉网络。上述过程完成后，该团队利用100个高效率超导单光子探测器，来对干涉仪输出光量子态进行探测。
图 | 100模式相位稳定干涉仪
如上图，光量子干涉装置集成在20 cm*20 cm 的超低膨胀稳定衬底玻璃后，可实现50路单模压缩态间的两两干涉，并能高精度地锁定任意两路光束间的相位。
下图是光量子干涉实物图，图片左下方是输入光学部分，右下方是锁相光路，上方共输出100个光学模式，分别通过低损耗单模光纤与100超导单光子探测器连接。
图 | 光量子干涉实物图
Science 审稿人评价该工作是 “一个最先进的实验” 以及 “一个重大成就”（a major achievement）。但即便如此，量子优越性实验并非一日之功，更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间仍存在竞争，但最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力。
为中国在量子计算牢固确立第一方阵地位奠定基础
此外，基于 “九章” 的高斯玻色取样算法，在机器学习、量子化学等领域具有潜在应用。具体来说，量子计算机的超快并行计算能力，有望通过特定算法在密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等领域，实现比经典计算机呈指数级别的加速。
就本次研究，潘建伟称：“我们已经证明，我们可以使用光子来展示量子计算能力，这远远超出了传统的计算机”。他还介绍称，最近美国公布了量子计算领域的最新计划，欧盟、英国、日本等国家也早有相应规划，此次 “九章” 的成功研制，为中国在国际量子计算研究中牢固确立第一方阵地位奠定了基础。
他认为，“在摩尔定律逼近极限的时代，在人们对算力需求指数级增长的时代，量子计算机必然会成为世界前沿的‘兵家必争之地’。” 不过，对于本次成果的优越性，潘建伟说：“这是一个动态过程，所有领先都只是暂时的。”
在光量子信息处理方面，潘建伟团队已做出一定成果。2017年，该团队构建出世界首台超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机。
2019年，他们研制出确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，输出复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，效果逼近 “量子计算优越性”。
而本次成果，则确立了中国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，并将为解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定基础。
就该领域研究来说，有三个国际公认的指标性发展阶段：
第一阶段，发展出具备50-100个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，并实现 “量子计算优越性” 的里程碑。
第二阶段，通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，从而解决超级计算机无法胜任的难题，如量子化学、新材料设计、优化算法等。
第三阶段，提高量子比特的操纵精度，使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值（>99.9%），大幅度提高可集成的量子比特数目，从而实现容错量子逻辑门，研制出可编程的通用量子计算原型机。
加拿大多伦多量子计算初创公司 Xanadu 首席执行官克里斯蒂安韦德布鲁克（Christian Weedbrook）说：“这是首次利用光或光子技术展示量子优势。” 同时，对该成果他也表达了一些期望：如果团队能够构建足够高效的可编程芯片，那么可以解决几个重要的计算问题，如预测蛋白质如何彼此对接以及分子如何振动。
对本次成果，伦敦帝国理工学院的物理学家伊恩沃尔姆斯利（Ian Walmsley）说，这是一个重要的里程碑。”
昆士兰大学教授 Tim Ralph 则评价称：“该设备的规模是非凡的：100模式干涉仪、25个压缩器提供输入的量子态、使用100个单光子探测器进行探测，并且实现了同时保持高效率，稳定性和量子不可分辨性 —— 这都是展示量子计算优越性所必须的。”
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比超级计算机快100万亿倍！潘建伟等实现量子计算优越性里程碑
量子计算机有望执行某些传统计算机难以处理的任务。玻色子采样是一项任务，被认为是证明量子计算优势的强有力的候选者。
2020年12月4日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作在Science在线发表题为“Quantum computational advantage using photons”的研究论文，该研究构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。根据现有理论，该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍（“九章”一分钟完成的任务，超级计算机需要一亿年）。等效地，其速度比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性（国外也称之为“量子霸权”）。
另外，2020年11月18日，中国科学技术大学潘建伟，苑震生及卡尔斯大学Philipp Hauke通讯共同在Nature在线发表题为“Observation of gauge invariance in a 71-site Bose–Hubbard quantum simulator”的研究论文，该研究开发了一种专用的量子计算机---71个格点的超冷原子光晶格量子模拟器，对量子电动力学方程施温格模型（Schwinger Model）进行了成功模拟，通过操控束缚在其中的超冷原子，从实验上观测到了局域规范不变量，首次使用微观量子调控手段在量子多体系统中验证了描述电荷与电场关系的高斯定理，取得了利用规模化量子计算和量子模拟方法求解复杂物理问题的重要突破。
2020年6月18日，中国科学技术大学潘建伟及苑震生通讯共同在Science在线发表题为“Cooling and entangling ultracold atoms in optical lattices”的研究论文，该研究在理论上提出并实验实现原子深度冷却新机制的基础上，在光晶格中首次实现了1250对原子高保真度纠缠态的同步制备，为基于超冷原子光晶格的规模化量子计算与模拟奠定了基础。
2020年6月15日，中国科学技术大学潘建伟及彭承志通讯共同在Nature在线发表题为“Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres”的研究论文，该研究展示了两个相距1,120 km的地面站之间基于纠缠的QKD。与先前的工作相比，该研究将双光子分布的链路效率提高了约4倍，并获得了0.12比特/秒的有限密钥-加密密钥速率。因此，该研究工作为基于纠缠的全球量子网络铺平了道路。总体而言，结果使地面上实际QKD的安全距离从100 km增加到超过1000 km，而无需信任的中继站，这代表了朝着任意长距离远程用户真正可靠且牢不可破的加密方法迈出的重要一步。
2020年2月12日，中国科学技术大学潘建伟、包小辉及张强通讯共同在Nature在线发表题为“Entanglement of two quantum memories via fibres over dozens of kilometres”的研究论文，该研究在量子中继与量子网络方向取得重大突破。该研究通过发展高亮度光与原子纠缠源、低噪高效单光子频率转换技术和远程单光子精密干涉技术，成功地将相距50公里光纤的两个量子存储器纠缠起来，为构建基于量子中继的量子网络奠定了基础。
量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面（如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等）相比经典计算机实现指数级别的加速。当前，研制量子计算机已成为世界科技前沿的最大挑战之一，成为欧美各发达国家角逐的焦点。对于量子计算机的研究，本领域的国际同行公认有三个指标性的发展阶段：
一、发展具备50-100个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。
图片1：“九章”量子计算原型机光路系统原理图 ：左上方激光系统产生高峰值功率飞秒脉冲；左方25个光源通过参量下转换过程产生50路单模压缩态输入到右方100模式光量子干涉网络； 最后利用100个高效率超导单光子探测器对干涉仪输出光量子态进行探测。（制图：陆朝阳，彭礼超）
二、通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题（如量子化学、新材料设计、优化算法等）。
三、通过积累在通用量子计算与模拟机的研制过程中发展起来的各种技术，提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值（>99·9%），大幅度提高可集成的量子比特数目（百万量级），实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。
潘建伟团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平。2017年，该团队构建了世界首台超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机。2019年，团队进一步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，输出复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，逼近了“量子计算优越性”。
图片2：光量子干涉实物图：左下方为输入光学部分，右下方为锁相光路，上方共输出100个光学模式，分别通过低损耗单模光纤与100超导单光子探测器连接。（摄影：马潇汉，梁竞，邓宇皓）
近期，该团队通过自主研制同时具备高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源，同时满足相位稳定、全连通随机矩阵、波包重合度优于99.5%、通过率优于98%的100模式干涉线路，相对光程10-9以内的锁相精度，高效率100通道超导纳米线单光子探测器，成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”（命名为“九章”是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》）。
根据目前最优的经典算法，“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，等效地比谷歌去年发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。同时，通过高斯玻色取样证明的量子计算优越性不依赖于样本数量，克服了谷歌53比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。“九章”输出量子态空间规模达到了10^30（“悬铃木”输出量子态空间规模是10^16，目前全世界的存储容量是10^22）。该成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。此外，基于“九章号”量子计算原型机的高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。
《科学》杂志审稿人评价该工作是“一个最先进的实验”（a state-of-the-art experiment），“一个重大成就”（a major achievement）。研究人员希望这个工作能够激发更多的经典算法模拟方面的工作，也预计将来会有提升的空间。量子优越性实验并不是一个一蹴而就的工作，而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争，但最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力。
上述项目受到了中国科学院、安徽省、科技部、上海市和基金委的大力支持。
注：该解析部分参考自中国科学技术大学官网介绍。
http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73418.htm
参考消息：
htps://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770