提升思維層次

導讀

中國的量子計算機“九章”實現了“量子優越性”，比最快的超級計算機快一百萬億倍！這是量子計算走向實用化的途中，目前最強的成果。不過整體而言，量子計算離實用還有很遠的距離，需要我們長期的努力。

讓中央集體學習的量子科技究竟是啥？這個科普我已經做了五年（一）量子是什麼 | 袁嵐峰

讓中央集體學習的量子科技究竟是啥？這個科普我已經做了五年（二）量子力學三大奧義 | 袁嵐峰

讓中央集體學習的量子科技究竟是啥？這個科普我已經做了五年（三）量子糾纏 | 袁嵐峰

讓中央集體學習的量子科技究竟是啥？這個科普我已經做了五年（四）量子因數分解與破解密碼 | 袁嵐峰

影片連結：

https://www.ixigua.com/6907540213807972875

本影片釋出於2020年12月19日，播放量已逾五百萬

我們這個系列文章，是因為2020年10月中央集體學習量子科技而起（讓中央集體學習的量子科技究竟是啥？這個科普我已經做了五年（一）量子是什麼 | 袁嵐峰）。而在最近的12月，又發生了一件大新聞，引爆了公眾的興趣，就是中國的量子計算機“九章”實現了“量子優越性”，比最快的超級計算機快一百萬億倍！

編輯

九章光量子干涉實物圖

（比最快的超級計算機快一百萬億倍！中國科學家實現“量子計算優越性”里程碑）

左下方為輸入光學部分，右下方為鎖相光路，上方共輸出100個光學模式，分別透過低損耗單模光纖與100超導單光子探測器連線。

攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓

這是量子計算走向實用化的途中，目前最強的成果。不過整體而言，量子計算離實用還有很遠的距離，需要我們長期的努力。下面，我們就來介紹一下這方面的大圖景。

在前面的節目中，我們解釋了量子計算的原理。它的優越性來自量子力學三大奧義：疊加、測量和糾纏（讓中央集體學習的量子科技究竟是啥？這個科普我已經做了五年（二）量子力學三大奧義 | 袁嵐峰）。量子計算機的基本操作單元是量子位元，而不是經典計算機的位元。對於一些特定的問題，例如破解RSA密碼，人們可以設計出快速的量子演算法，使得量子計算機的速度遠遠超過經典計算機。

上面這些是量子計算機的軟體層面。而在硬體層面，又有許多問題需要考慮。

學過計算機科學的人都知道，有很多種物理體系可以用來製造計算機，例如電子管、電晶體、積體電路，還有早期的機械計算機。在《三體》中，甚至還有一個由三千萬人組成的計算機。所以對於量子計算機，也存在同樣的問題：用什麼物理體系來實現量子計算機？

編輯

​

第一臺電子管計算機ENIAC

編輯

​

英國發明家巴貝奇（Charles Babbage，1792 - 1871）1849年設計的“差分機2號”，倫敦科學博物館在1985 - 1991年間用十九世紀的技術製造

（一篇讀罷頭飛雪：計算機發展時間線（上）| 跟陶叔學程式設計）

基本的回答是，什麼都行。

例如有人提議用粒子物理中的介子、夸克和膠子來做量子計算機，——這個太小了，因為這些粒子比質子、中子還小。還有人提議用宇宙學中的黑洞來做量子計算機，——這個又太大了。還經常聽到這樣的說法：整個宇宙就是一臺量子計算機！

編輯

​

黑洞：大家好，聽說我可以做量子計算機？

實際上，量子計算機的體系應該滿足四個條件：用這個物理體系可以表示量子位元；可以把量子比特製備到特定的初始狀態；可以讓這個體系按照期望的方式變換；可以測量體系的輸出狀態。

看起來，這些條件很正常，就是說你可以製備基本操作單元，能對基本操作單元進行輸入、變換和輸出。這不是理所當然的嗎？

但真正的問題在於，這些條件對於經典計算機很容易同時滿足，而對於量子計算機就很難同時滿足。這些條件往往是互相矛盾的！例如，原子核的自旋可以作為很好的量子位元，但測量它的狀態卻十分困難。

這就是為什麼，製造量子計算機十分困難，實用的量子計算機到現在還沒造出來。這也導致了一個有趣的現象：每當有一個量子計算機的新聞，都有人爭論這算不算量子計算機。有人一看到新聞說造出了量子計算機就大怒，認為是欺騙宣傳。實際上，這只是個名稱問題而已。因為並沒有一個截然的標準，達到這個標準就叫量子計算機，達不到就不叫量子計算機。這是一個逐漸進步的過程。

真正的乾貨在於，經過以上四個條件的限制之後，量子計算機的可選方案就沒多少了。目前主流的技術路線，基本是光學、離子阱、超導電路、核磁共振、金剛石色心和冷原子等幾種。我們有時會聽到“光量子計算機”、“超導量子計算機”等等，其實說的就是用什麼體系來實現量子計算機。

編輯

​

不同物理系統做量子計算引數比較，見張文卓《大話量子通訊》

早期的量子計算機，功能都非常弱。例如對於我們上一期節目中介紹的量子因數分解，能把15分解成3 × 5。這就只有演示作用，演示量子計算機的原理是可以實現的。

2017年5月，實現了一個里程碑：量子計算機第一次超越了最早的電子計算機，也就是1946年的ENIAC。這是由科大的潘建偉和陸朝陽等人實現的，他們用的物理體系是光學，處理的問題叫做“玻色子取樣”（boson sampling）。

編輯

​

世界首臺超越早期經典計算機的單光子量子計算機1

這個問題大致可以理解為：一個光路有很多個入口和很多個出口，問每一個出口有多少光出去。之所以叫“玻色子取樣”，是因為粒子分為兩類，玻色子（boson）和費米子（fermion），而光子就屬於玻色子。

編輯

​

世界首臺超越早期經典計算機的單光子量子計算機2

我們在上次介紹過，量子計算機只是對某些特定的問題有優勢，而不是對任何問題都有優勢。所以你在看到一個量子計算機的新聞時，應該問：“它處理的是什麼問題？”這樣別人一聽就知道你是內行。而如果你問一些傻乎乎的問題，例如：“打遊戲會卡嗎？”別人一聽就知道你很外行了！

下一個里程碑，是2019年10月，谷歌宣佈實現了“量子霸權”（quantum supremacy）。霸權這個詞聽起來可能讓很多人不舒服，所以現在更流行的說法是“量子優越性”（quantum advantage）。無論叫什麼名字，實際的意思都是，對於某個問題，量子計算機超越了現有的最強的經典計算機（量子霸權實現了嗎？谷歌的“一萬年太久”，IBM的“只爭朝夕”，和中國的“百舸爭流” | 袁嵐峰）。

具體而言，谷歌用的物理體系是超導，處理的問題是“隨機線路取樣”（random circuit sampling）。這個問題大致可以理解為：驗證一個量子隨機數發生器是不是真的隨機。這個問題本身並沒有什麼實用價值，不過它天然的就有利於量子計算機，而不利於經典計算機，所以適合用來演示量子優越性。

谷歌的這臺量子計算機叫做“懸鈴木”（Sycamore），它包含53個量子位元。為什麼會是這麼個數字呢？本來應該是54個，壞了一個，所以是53個。

編輯

​

谷歌論文圖1對“懸鈴木”量子計算機結構的演示

谷歌宣佈，懸鈴木花了200秒對一個量子線路取樣一百萬次，而最強的超級計算機完成同樣的任務需要一萬年。這是一個十億倍量級的優勢。

編輯

​

谷歌論文圖4對量子霸權的演示，請注意最右邊黑色箭頭上方的一萬年與中縫中的200秒的對比

不過，IBM立刻跳出來表示反對。

編輯

​

我反對這門親事！（電影《大話西遊》）

IBM說，你們給經典計算機用的演算法太愚笨了，你們是故意來黑經典計算機的嗎？IBM指出，谷歌的演算法只用到了記憶體，但別忘了世界上有個東西叫做“硬碟”！把一部分資料放到硬碟上，稍微最佳化一下演算法，就可以把時間從一萬年縮短到兩天半。

編輯

​

IBM指出：別忘了世界上有個東西叫做“硬碟”！

這樣一來，懸鈴木相對於經典計算機的優勢被縮減到了一千倍。不過無論如何，它總是實現了量子優越性，這個里程碑的意義是巨大的。至於優勢是多少倍，那是細節問題。

下一個里程碑，就是最近的九章。這個名字來自中國古代著名的數學教科書《九章算術》。研究者又是科大的潘建偉和陸朝陽等人，物理體系又是光學，處理的問題又是玻色子取樣。實際上，這正是他們在2017年工作基礎上的新進展。

編輯

​

清朝李演著《九章算術細草圖說》

但千萬不要因此低估這個成果的意義。在技術上，他們取得了許多突破（經典和量子的算力之爭：中國科學家實現“量子計算優越性”里程碑 | 墨子沙龍h）。

例如他們有國際上唯一同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規模擴充套件能力的量子光源，還有最大規模（100 × 100）的干涉技術，還能同時做到全連通、隨機矩陣、相位穩定、波包重合好（> 99.5%）、透過率高（> 98%）。他們還有極高的精密操控技術，能保持2米自由空間加20米光纖的光程中抖動不超過25奈米，這相當於100公里的距離誤差小於一根頭髮絲。此外，中科院上海微系統所研製的高效能超導單光子探測器也扮演了重要角色。

所以大家可以明白，九章的成功是一個技術上的重大突破。許多國際專家對九章發來祝賀，這就是他們讚揚的一個重要的點。

編輯

​

多位國際專家對九章的評價

（比最快的超級計算機快一百萬億倍！中國科學家實現“量子計算優越性”里程碑）

實際上，近十幾年來，潘建偉研究組一直是國際上用光學進行量子資訊研究的領導者。我的朋友、量子資訊理論家、北京理工大學物理學院量子技術研究中心準聘教授尹璋琦博士給出了一個專業的解讀（https://weibo.com/1401447414/Jx3GdiOK2）：

“這個工作也表明用光子實現通用量子計算機是大有希望的。如果給九章量子計算原型機加上自適應測量，就能做出通用量子計算機。現在超導電路、離子阱、光量子計算等多個候選系統，競爭極為激烈。中科大研究組幾乎是以一己之力把光量子計算技術又拉回到舞臺中央。與其它系統比較，光量子計算機的最大優勢在於它可以在常溫常壓下工作，而且與量子通訊與量子網路技術能無縫對接。”

我可以簡而言之為：這個成果的技術潛力比這個成果本身更重要。

在一個狹窄的空間裡，苑老師告訴大家，我們身前這個格子裡的器件就是九章的光路，身後那個格子裡的器件就是九章的核心器件。也就是說，我們就置身在九章之中！我們是在九章裡面向大家介紹九章！

編輯

​

在九章裡面向大家介紹量子資訊

許多人很好奇，九章長什麼樣。其實它就是這個樣，一堆光學元件。

具體而言，九章用到了76個光子和100個模式，也就是100個入口和100個出口。九章花200秒採集到5000個樣本，目前最強的超級計算機做同樣的任務需要6億年，九章快一百萬億倍。

編輯

​

“九章”量子計算原型機光路系統原理圖

（比最快的超級計算機快一百萬億倍！中國科學家實現“量子計算優越性”里程碑）

左上方鐳射系統產生高峰值功率飛秒脈衝；左方25個光源透過參量下轉換過程產生50路單模壓縮態輸入到右方100模式光量子干涉網路; 最後利用100個高效率超導單光子探測器對干涉儀輸出光量子態進行探測。

製圖：陸朝陽，彭禮超

有人可能會納悶：這不是一個光學實驗嗎？怎麼能叫計算機呢？

它確實是一個光學實驗，同時它也是計算機，因為我們確實獲得了以前沒有的資料。量子計算的原理就是這樣，透過對一個體系進行量子力學操作獲得資料。如果你認為這不算計算機，那麼電子計算機也不算計算機，因為它只是一個電學實驗而已。你會這樣認為嗎？

編輯

​

ENIAC：其實我也是一個電學實驗

九章有一個好處，就是玻色子取樣這個問題並不是只有演示價值，而是有潛在的應用，例如在圖論、機器學習、量子化學等領域（經典和量子的算力之爭：中國科學家實現“量子計算優越性”里程碑 | 墨子沙龍）。將來，我們有可能把一個藥物研發問題轉化成一個玻色子取樣問題，用九章這樣的量子計算機來模擬。這就會帶來革命性的進步。

編輯

​

把藥物分子與生物受體分子的匹配轉化問題轉化為圖論問題

（中國科學家研製出首個有潛在應用的量子計算原型機 | 墨子沙龍）

編輯

​

這個圖論問題的數學公式是“哥本哈根式”，正是玻色子取樣的計算結果

（中國科學家研製出首個有潛在應用的量子計算原型機 | 墨子沙龍）

編輯

​

俺們終於有用了！

（中國科學家研製出首個有潛在應用的量子計算原型機 | 墨子沙龍）

最後，值得注意的是，實現量子優越性只是一個階段性的勝利。

下一步，科學家要研製可相干操縱數百個量子位元的量子模擬機，用於解決若干具有重大實用價值的問題（如量子化學、新材料設計、最佳化演算法等）。這可能會在未來五年內實現。

再下一步，要大幅度提高可操縱的量子位元的數目（百萬量級）和精度（容錯閾值 > 99.9%），研製可程式設計的通用量子計算原型機（經典和量子的算力之爭：中國科學家實現“量子計算優越性”里程碑 | 墨子沙龍）。這就非常非常難，可能需要20年或更長（https://zhuanlan.zhihu.com/p/331716655）。

編輯

​

量子計算機的一個個目標

（中國科學家研製出首個有潛在應用的量子計算原型機 | 墨子沙龍）

預測未來是困難的。但預測未來的最好方式，就是把它創造出來。

擴充套件閱讀：

讓中央集體學習的量子科技究竟是啥？這個科普我已經做了五年（一）量子是什麼 | 袁嵐峰

讓中央集體學習的量子科技究竟是啥？這個科普我已經做了五年（二）量子力學三大奧義 | 袁嵐峰

讓中央集體學習的量子科技究竟是啥？這個科普我已經做了五年（三）量子糾纏 | 袁嵐峰

讓中央集體學習的量子科技究竟是啥？這個科普我已經做了五年（四）量子因數分解與破解密碼 | 袁嵐峰

你完全可以理解量子資訊（8-10）| 袁嵐峰

比最快的超級計算機快一百萬億倍！中國科學家實現“量子計算優越性”里程碑

一篇讀罷頭飛雪：計算機發展時間線（上）| 跟陶叔學程式設計

《大話量子通訊》，張文卓著，人民郵電出版社，2020年6月第一版

量子霸權實現了嗎？谷歌的“一萬年太久”，IBM的“只爭朝夕”，和中國的“百舸爭流” | 袁嵐峰

經典和量子的算力之爭：中國科學家實現“量子計算優越性”里程碑 | 墨子沙龍

中國科學家研製出首個有潛在應用的量子計算原型機 | 墨子沙龍

陸朝陽『九章』答問：每一個專用機都是量子計算前進路上的墊腳石（https://zhuanlan.zhihu.com/p/331716655）

背景簡介：本文作者袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，科技與戰略風雲學會會長，“科技袁人”節目主講人，安徽省科學技術協會常務委員，中國青少年新媒體協會常務理事，入選“典贊·2018科普中國”十大科學傳播人物，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。