光明日?qǐng)?bào)記者 常河

　　12月4日，包括光明日?qǐng)?bào)在內(nèi)的許多媒體報(bào)道了一個(gè)量子計(jì)算的大成果：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉、陸朝陽(yáng)等人構(gòu)建了一臺(tái)76個(gè)光子100個(gè)模式的量子計(jì)算機(jī)“九章”，它處理“高斯玻色取樣”的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬(wàn)億倍。也就是說(shuō)，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一億年完成的任務(wù)，“九章”只需一分鐘。同時(shí)，“九章”也等效地比谷歌去年發(fā)布的53個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。

　　然而，很多讀者在驚嘆這一重大科研成果的同時(shí)，卻對(duì)其中的原理、成果的意義、量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用前景不明就里，甚至有讀者反映，“每個(gè)漢字都認(rèn)識(shí)，但還是不懂”。為此，光明日?qǐng)?bào)記者采訪了相關(guān)專(zhuān)家，嘗試揭開(kāi)“九章”神秘的面紗，了解量子計(jì)算機(jī)的原理。

　　光量子干涉實(shí)物圖 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖

　　什么是量子計(jì)算機(jī)

　　“量子計(jì)算機(jī)是用量子力學(xué)原理制造的計(jì)算機(jī)，目前還處于很初步的階段。相應(yīng)的，現(xiàn)有的我們?cè)谟玫挠?jì)算機(jī)被稱(chēng)為經(jīng)典計(jì)算機(jī)。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室副研究員袁嵐峰一直致力于科普寫(xiě)作，他告訴記者，兩者的計(jì)算形式不一樣，“電腦通過(guò)電路的開(kāi)和關(guān)進(jìn)行計(jì)算，而量子計(jì)算機(jī)則是以量子的狀態(tài)作為計(jì)算形式。”

　　我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娔X，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字，這些信息在硬件電路里都會(huì)轉(zhuǎn)換成1和0，每個(gè)比特要么代表0，要么代表1，這些比特就是信息，然后再進(jìn)行傳輸、運(yùn)算與存儲(chǔ)。正是因?yàn)檫@種0和1的“計(jì)算”過(guò)程，電腦才被稱(chēng)為“計(jì)算機(jī)”。

　　而量子計(jì)算，則是利用量子天然具備的疊加性，施展并行計(jì)算的能力。“量子力學(xué)允許一個(gè)物體同時(shí)處于多種狀態(tài)，0和1同時(shí)存在，就意味著很多個(gè)任務(wù)可以同時(shí)完成，因此具有超越計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。”中科大教授陸朝陽(yáng)說(shuō)，每個(gè)量子比特，不僅可以表示0或1，還可以表示成0和1分別乘以一個(gè)系數(shù)再疊加，隨著系數(shù)的不同，這個(gè)疊加的形式可能性會(huì)很多很多。

　　“目前的量子計(jì)算機(jī)使用的是如原子、離子、光子等物理系統(tǒng)，不同類(lèi)型的量子計(jì)算機(jī)使用的是不同的粒子，這次的‘九章’使用的是光子。”袁嵐峰說(shuō)。

　　袁嵐峰告訴記者，量子計(jì)算機(jī)并不是對(duì)所有的問(wèn)題都超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)，而是只對(duì)某些特定的問(wèn)題超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)，因其對(duì)這些特定的問(wèn)題設(shè)計(jì)出高效的量子算法。“對(duì)于沒(méi)有量子算法的問(wèn)題，例如最簡(jiǎn)單的加減乘除，量子計(jì)算機(jī)就沒(méi)有任何優(yōu)勢(shì)。”

　　“九章”量子計(jì)算原型機(jī)實(shí)物圖 資料圖片

　　　“九章”到底長(zhǎng)什么樣

　　在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)光量子實(shí)驗(yàn)室，記者見(jiàn)到了確立中國(guó)量子計(jì)算優(yōu)越性的“九章”。

　　從外觀上看，與其說(shuō)它是計(jì)算機(jī)，倒不如說(shuō)是一臺(tái)敞開(kāi)式的運(yùn)算系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)桌上3平方米左右的格子里擺滿了上千個(gè)部件，“這些都是量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)的光路”，潘建偉研究組的苑震生教授說(shuō)，“正是通過(guò)我國(guó)自主創(chuàng)新的量子光源、量子干涉、單光子探測(cè)器等，我們構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型。”

　　另一張桌子上，擺放著“九章”的接收器。“如果你站在兩張桌子之間，就意味著你置身于‘九章’之中”。

　　原來(lái)，神秘的“九章”就是一堆光路和接收裝置。

　　袁嵐峰告訴記者，光學(xué)是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的一種手段，跟超導(dǎo)、離子阱、核磁共振等很多其他手段并列。“中國(guó)科技大學(xué)把光學(xué)這種手段帶到了世界的中心，大大擴(kuò)展了學(xué)術(shù)界對(duì)這種手段上限的估計(jì)，這是這項(xiàng)成果在技術(shù)上的重要意義。”

　　　“九章”確立的“量子計(jì)算優(yōu)越性”有多厲害

　　“九章”的成果，就是實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性。“量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)問(wèn)題上超越現(xiàn)有的最強(qiáng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，被稱(chēng)為‘量子優(yōu)越性’或者叫‘量子霸權(quán)’。”

　　袁嵐峰隨后解釋說(shuō)，“實(shí)際上，‘量子霸權(quán)’是一個(gè)科學(xué)術(shù)語(yǔ)，跟國(guó)際政治無(wú)關(guān)。它指的是量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)問(wèn)題上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)。”

　　基于量子的疊加性，許多量子科學(xué)家認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)在特定任務(wù)上的計(jì)算能力將會(huì)遠(yuǎn)超任何一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。2012年，美國(guó)物理學(xué)家John Preskill將其描述為“量子計(jì)算優(yōu)越性”或稱(chēng)“量子霸權(quán)”。2019年，谷歌第一個(gè)宣布實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性。他們用的量子計(jì)算機(jī)叫作“懸鈴木”，處理的問(wèn)題大致可以理解為：判斷一個(gè)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是不是真的隨機(jī)。

　　“九章”量子計(jì)算原型機(jī)光路系統(tǒng)原理圖 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖

　　“谷歌造出的‘懸鈴木’包含53個(gè)量子比特的芯片，花了200秒對(duì)一個(gè)量子線路取樣一百萬(wàn)次，而現(xiàn)有的最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)完成同樣的任務(wù)需要一萬(wàn)年。200秒對(duì)一萬(wàn)年，如果這是雙方的最佳表現(xiàn)，那么確實(shí)是壓倒性的優(yōu)勢(shì)。”袁嵐峰說(shuō)，“九章”跟“懸鈴木”的區(qū)別，一是處理的問(wèn)題不同，二是用來(lái)造量子計(jì)算機(jī)的物理體系不同。“九章”用的是光學(xué)，“懸鈴木”用的是超導(dǎo)。“這兩個(gè)沒(méi)有孰優(yōu)孰劣，只是不同的技術(shù)路線。”

　　“‘九章’在同樣的賽道上，比‘懸鈴木’快一百億倍，這就是等效速度，也意味著我國(guó)在量子計(jì)算上實(shí)現(xiàn)了‘量子霸權(quán)’”。袁嵐峰進(jìn)一步解釋說(shuō)，“九章”的成果牢固確立了我國(guó)在國(guó)際量子計(jì)算研究中的“第一方陣”地位。這是因?yàn)橛小皯意從尽痹谇埃熬耪隆碑吘故堑诙€(gè)，所以只是說(shuō)中國(guó)跟美國(guó)相差不遠(yuǎn)。“而在量子通信方面，我們就不說(shuō)什么‘第一方陣’了。因?yàn)槟抢餂](méi)有方陣，中國(guó)明確是世界最先進(jìn)的。”

　　何謂高斯玻色取樣

　　所有的報(bào)道中都提到，“‘九章’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)‘富岳’快一百萬(wàn)億倍”。那么，什么是高斯玻色取樣？

　　“玻色取樣是用來(lái)展示量子計(jì)算優(yōu)越性的特定任務(wù)中的一項(xiàng)，一直被科學(xué)家寄予厚望。”袁嵐峰說(shuō)，“大致可以理解為，一個(gè)光路有很多個(gè)出口，問(wèn)每一個(gè)出口有多少光出去。”

　　由于量子力學(xué)賦予了光子很多匪夷所思的性質(zhì)，使得光子的不同路徑之間，不但可以相互疊加，也可以相互抵消，具體結(jié)果視情況而定，非常復(fù)雜。“在面對(duì)這樣的難題時(shí)，玻色取樣裝置就有了用武之地。由于它像計(jì)算機(jī)一樣，能夠在較高的精度上解決特定的數(shù)學(xué)問(wèn)題，同時(shí)又應(yīng)用了光子的量子力學(xué)特性，所以可以稱(chēng)作是一種‘光量子計(jì)算機(jī)’。”袁嵐峰說(shuō)。

　　此次，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，成功研制出的“九章”，和之前的玻色取樣機(jī)的主要區(qū)別，在于輸入的光子狀態(tài)，也就是對(duì)從前的“玻色取樣”裝置進(jìn)行升級(jí)。“玻色取樣機(jī)輸入的是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的光子，而‘九章’輸入的是一團(tuán)團(tuán)相互關(guān)聯(lián)的量子光波。”袁嵐峰說(shuō)，因此，“九章”比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快很多倍，真正體現(xiàn)出了“量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)”。

　　　量子計(jì)算機(jī)要不要裝系統(tǒng)

　　“量子計(jì)算機(jī)本身就是一套‘系統(tǒng)’。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)林梅教授說(shuō)，獨(dú)立的光學(xué)組件提供了硬件，復(fù)雜的光路結(jié)構(gòu)則決定了它的“算法”。“例如，以光子作為量子比特的量子計(jì)算機(jī)，需要能夠產(chǎn)生光子的單光子源，能夠改變光子狀態(tài)、完成‘算法’的特定光路結(jié)構(gòu)，還需要單光子探測(cè)器對(duì)光子的最終狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)。”

　　據(jù)了解，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的控制，仍然需要通過(guò)普通電腦進(jìn)行信息的輸入和輸出。工作人員需要在普通電腦上輸入初始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中進(jìn)行復(fù)雜的轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，最后得到的結(jié)果會(huì)再傳輸回工作人員的普通電腦上。

　　量子計(jì)算機(jī)距離實(shí)用還有多遠(yuǎn)

　　量子計(jì)算機(jī)能不能處理有實(shí)用價(jià)值的問(wèn)題？答案是：能。

　　“例如因數(shù)分解，量子計(jì)算機(jī)就是有快速算法的。因數(shù)分解的困難性是現(xiàn)在最常用的密碼體系RSA的基礎(chǔ)，所以量子計(jì)算機(jī)能快速進(jìn)行因數(shù)分解，就意味著能快速破解密碼。”袁嵐峰說(shuō)，“問(wèn)題只是在于，現(xiàn)有的量子計(jì)算機(jī)只能分解很小的數(shù)，還不足以破解實(shí)用的密碼。所以在實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性之后，下一個(gè)重要的目標(biāo)就是針對(duì)一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的問(wèn)題，造出超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)。”

　　“火車(chē)剛發(fā)明的時(shí)候，連馬車(chē)的速度都趕不上；飛機(jī)剛發(fā)明的時(shí)候，只能在天上堅(jiān)持飛1分鐘；量子計(jì)算機(jī)剛發(fā)明的時(shí)候，計(jì)算過(guò)程也堅(jiān)持不了幾分鐘。”袁嵐峰說(shuō)，量子計(jì)算發(fā)展到今天，我們研制出的“九章”不僅速度快、穩(wěn)定性高，而且有著潛在應(yīng)用價(jià)值。“不管量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)在有多么初級(jí)，總有一天，它會(huì)像曾經(jīng)的火車(chē)和飛機(jī)一樣，一步一步向我們走來(lái)。也許將來(lái)，我們能夠用光學(xué)實(shí)現(xiàn)真正強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，也就是可編程的、能處理很多有實(shí)用價(jià)值問(wèn)題的量子計(jì)算機(jī)。”

　　科學(xué)界如何評(píng)價(jià)“九章”

　　“九章”問(wèn)世后，贏得科學(xué)界一致肯定，《科學(xué)》雜志審稿人認(rèn)為，此項(xiàng)成果是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”“一個(gè)重大成就”。

　　德國(guó)馬普所所長(zhǎng)、沃爾夫獎(jiǎng)和富蘭克林獎(jiǎng)?wù)碌弥鱅gnacio Cirac稱(chēng)，“總體來(lái)說(shuō)，這是量子科技領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，朝著研制比經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有量子優(yōu)勢(shì)的量子設(shè)備邁出了一大步。”奧地利科學(xué)院院長(zhǎng)、沃爾夫獎(jiǎng)得主、美國(guó)科學(xué)院院士Anton Zeilinger評(píng)價(jià)道，“這項(xiàng)工作成果很重要，因?yàn)榕私▊ズ退耐伦C明，基于光子的量子計(jì)算機(jī)也可能實(shí)現(xiàn)‘量子計(jì)算優(yōu)越性’。我預(yù)測(cè)很有可能有朝一日量子計(jì)算機(jī)會(huì)被廣泛使用。甚至每個(gè)人都可以使用。”

　　美國(guó)麻省理工學(xué)院教授、美國(guó)青年科學(xué)家總統(tǒng)獎(jiǎng)得主、斯隆獎(jiǎng)得主Dirk Englund則稱(chēng)之為“一個(gè)劃時(shí)代的成果”。他說(shuō)，“這是開(kāi)發(fā)中型量子計(jì)算機(jī)的里程碑。它表明，在復(fù)雜系統(tǒng)的前沿領(lǐng)域中，我們正處于非常特殊的時(shí)刻，復(fù)雜系統(tǒng)具有我們今天無(wú)法在計(jì)算機(jī)上預(yù)測(cè)的復(fù)雜性。因此，這是一項(xiàng)了不起的成就。”

　　加拿大卡爾加里大學(xué)教授、量子科學(xué)和技術(shù)研究所所長(zhǎng)Barry Sanders說(shuō)，“我認(rèn)為這是一項(xiàng)杰出的工作，改變了當(dāng)前的格局。我們一直努力證明量子信息處理可以戰(zhàn)勝經(jīng)典的信息處理。這個(gè)實(shí)驗(yàn)使經(jīng)典計(jì)算機(jī)望塵莫及。我認(rèn)為這是量子計(jì)算領(lǐng)域最重要的成果之一。這個(gè)實(shí)驗(yàn)不存在爭(zhēng)論，毫無(wú)疑問(wèn)，該實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)器的模擬能力。我想說(shuō)的是，這個(gè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)挑戰(zhàn)非常巨大。為了獲得此結(jié)果，他們必須解決許多非常困難的技術(shù)問(wèn)題。僅僅在技術(shù)層面上，他們所取得的成就也令人印象深刻。這是人們夢(mèng)寐以求的實(shí)驗(yàn)，他們做成了，讓夢(mèng)想走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。”

　　《光明日?qǐng)?bào)》（ 2020年12月07日 08版）