量子科学与技术的关系（什么是量子霸权）

新京报快讯（记者 张璐）据中国科学技术大学官网12月4日消息，中国科学家构建了76个光子的量子计算原型机“九章”。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。

什么是量子计算？“九章”有哪些优势？新京报记者采访了中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员袁岚峰，对此进行科普。

Q1：什么是量子计算机？

袁岚峰：量子计算机是用量子力学原理制造的计算机，目前还处于很初步的阶段。跟量子计算机相对，现有公众使用的计算机被称为经典计算机。

对于经典计算机来说，每个比特要么代表0，要么代表1。这些比特就是信息，对这些信息运算，实际上就是用电路构建一些逻辑门，完成“与”、“非”、“或”以及更复杂的操作。

而量子计算，则是利用量子天然具备的叠加性，施展并行计算的能力。每个量子比特，不仅可以表示0或1，还可以表示0和1分别乘以一个系数再叠加，随着系数的不同，这个叠加形式的可能性会很多很多。

这种叠加性意味着，随着量子比特数增加，量子计算机的计算能力会指数增加，经典计算机将望尘莫及。

“九章”量子计算原型机光路系统原理图。图/中国科学技术大学官网

Q2：与经典计算机相比，量子计算机更适合应用在哪些场景？

袁岚峰：量子计算机并不是对所有的问题都超过经典计算机，而是只对某些特定的问题超过经典计算机，因为对这些特定的问题能设计出高效的量子算法。对于没有量子算法的问题，例如最简单的加减乘除，量子计算机就没有任何优势。

量子计算机可望在一些具有重大社会和经济价值的问题上，如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等方面，相比经典计算机实现指数级别的加速。

例如一个非常重要的问题，因数分解，就是量子计算机有快速算法的例子。因数分解的困难性是现在最常用的密码体系之一RSA的基础，所以量子计算机能快速进行因数分解，就意味着能快速破解密码。

Q3：什么叫量子霸权？

袁岚峰：随着量子计算机技术的进步，在特定任务上，量子计算机的计算能力将会远超任何一台经典计算机。2012年，美国物理学家John Preskill将其描述为“量子计算优越性”或称“量子霸权”。

量子霸权是一个科学术语，跟国际政治无关。它指的是量子计算机在某个问题上远远超过现有的计算机。由于“霸权”这个词让许多人不太舒服，现在更经常把它称为“量子优越性”。

Q4：什么叫高斯玻色取样？

袁岚峰：任何计算机都需要一定的物理体系来实现，例如经典计算机可以用电子管、晶体管或集成电路。同样的，量子计算机也有不同的物理体系。“九章”使用的是光子。量子力学中的粒子分为费米子和玻色子，光子属于玻色子。

玻色取样是一种适合用来展示量子计算优越性的任务，大致可以理解为，一个光路有很多个出口，问每一个出口有多少光出去。

由于光的波动性，光子的不同路径之间可以相互叠加，也可以相互抵消，使得玻色取样的结果在数学上非常复杂。在面对这样的难题时，玻色取样装置就有了用武之地，这是一种“光量子计算机”。

传统的玻色取样输入的是一个个独立的光子。高斯玻色取样的意思是，“九章”输入的不是有确定光子数的光波，而是一团团相互关联的“量子光波”。它们是不同光子数的叠加态，叫作“压缩光”。这样可以提高实验效率。

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。图/中国科学技术大学官网

Q5：“九章”长什么样？运行时对环境有要求吗？

袁岚峰：在外形上，九章就是一些光路，一个实验室里的两个格子就能放下。探测部分需要用到超导，因此需要4K的低温（零下269.15摄氏度）。其他部分都是在常温常压下运行的，这是光量子计算机相对于超导、离子阱等其他技术路线的优势。

Q6：“九章”相对于经典计算机有多大的优势？

袁岚峰：我国的神威·太湖之光超级计算机曾经是世界上最快的超级计算机，每秒钟峰值运算12.5亿亿次。

九章计算的问题是一种叫作“哥本哈根式”（Hafnian）的问题。根据目前最优的经典算法，“九章”花200秒采集到的5000个样本，如果用我国最快的“太湖之光”超级计算机，需要运行25亿年。如果用目前世界排名第一的超级计算机“富岳”，也需要6亿年。也就是说，九章比富岳快一百万亿倍。

Q7：“九章”和2019年谷歌发布的“悬铃木”有什么区别？

袁岚峰：2019年，谷歌第一个宣布实现了量子优越性。他们用的量子计算机叫作“悬铃木”，处理的问题大致可以理解为：判断一个量子随机数发生器是不是真的随机。

“悬铃木”包含53个量子比特的芯片，花了200秒对一个量子线路取样一百万次，而利用当时世界排名第一的超级计算机Summit完成同样的任务需要一万年。

“九章”跟“悬铃木”的区别，一是处理的问题不同，二是用来造量子计算机的物理体系不同。“九章”用的是光学，“悬铃木”用的是超导。两者都实现了量子优越性。

Q8：“九章”的研发难点在于什么？

袁岚峰：光波、水波等想要产生稳定的干涉条纹，有一个重要条件就是两束波的相位差恒定。量子的干涉也类似，如果每一路的光相位总是抖动，彼此之间相位差就会不稳定，也就观测不到稳定的采样结果。

在这次实验中，每路单模压缩光进入干涉网络之前，要各自经过2米自由空间和20米光纤，所谓保持相位锁定，也就是保证这个路径的光程恒定。科学家们采取“缺啥补啥”的策略，让同源的若干路激光分别走压缩态光所走的路程，并与一个标准参考激光进行比较（通过干涉的方法），实时监测每一路与标准参考光的相位差，并进行相应的调整。在精密微妙的操控下，2米自由空间 20米光纤光程抖动保持在25纳米之内，这相当于100公里的距离误差小于一根头发丝。

在最终的采样结果里，该团队成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色采样量子计算原型机。

100模式相位稳定干涉仪：光量子干涉装置集成在20cm*20cm的超低膨胀稳定衬底玻璃上，用于实现50路单模压缩态间的两两干涉，并高精度地锁定任意两路光束间的相位。图/中国科学技术大学官网

Q9：量子计算机离成熟、大规模使用还有多远？未来可能在哪些方面给人们的生活带来颠覆性改变？

袁岚峰：对于量子计算机的研究，同行公认有三个指标性的发展阶段。第一个阶段是发展具备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。

此次“九章”的研制成功，就是第一个阶段的胜利。在这之后，科学家还会致力于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）。最后，大幅度提高可操纵的量子比特的数目（百万量级）和精度（容错阈值＞99.9%），研制可编程的通用量子计算原型机。

我们重视量子计算，是因为它的潜力，而不是它的现状。它确实有革命性的潜力，只是还需要艰苦的努力，绝不是一蹴而就的。

新京报记者 张璐

编辑 刘梦婕 校对 李立军