玻色取樣逼近里程碑：量子計算未來可期
科技日報記者 吳長鋒
近期，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等與中外科學家合作，在國際上首次實現了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算，輸出了複雜度相當於48個量子比特的希爾伯特態空間，其維數高達三百七十萬億。這個工作同時在光子數、模式數、計算複雜度和態空間這四個關鍵指標上都大幅超越之前的國際記錄，其中，態空間維數比國際同行之前的光量子計算實驗高百億倍。國際學術權威期刊《物理評論快報》以「編輯推薦」形式刊發了他們的研究論文，美國物理學會Physics網站也以「玻色取樣量子計算逼近里程碑」為題做了精選報道。
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顯示「量子霸權」的兩種途徑
由於量子計算機在原理上具有超快的並行計算能力，在一些具有重大社會和經濟價值的問題方面相比經典計算機實現指數級別的加速，當前已成為前沿科學的最大挑戰之一和世界各國角逐的焦點。
這當中，量子計算研究的第一個階段性目標，是實現「量子計算優越性」（亦譯為「量子霸權」），即研製出量子計算原型機在特定任務的求解方面超越經典的超級計算機。
而利用超導量子比特實現隨機線路取樣和利用光子實現玻色取樣，是目前國際學術界公認的演示量子計算優越性的兩大途徑。在第二種路線上，中科大團隊一直保持國際領先。此次他們實現了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算，輸出狀態空間維數高達三百七十萬億，其複雜度相當於48個量子比特，逼近谷歌最近報道的53個超導量子比特。
事實上，量子計算機的研製是一個極具挑戰並且周期可能較長的工作。為了推動量子計算機的研製，我們必須把其分成一個個的小目標，不斷逐次突破。其中的第一個小目標就是「量子優越性」(Quantum Supremacy)，指的是量子計算機在某個特定問題上的計算能力遠超過性能最好的超算，證明量子計算機的優越性。因此，「量子優越性」被認為是量子計算髮展道路上的一個重要里程碑。
上面提到的量子計算「特定任務」，是指經過精心設計，非常適合於量子計算設備發揮其計算潛力的問題。這類問題包括隨機量子線路採樣、IQP線路、玻色採樣。而谷歌量子AI團隊所針對的問題是隨機量子線路採樣。
面向這一戰略目標，中國科大團隊長期致力於可擴展單光子源和玻色取樣量子計算的研究。2013年，他們在國際上首創量子點脈衝共振激發，解決了單光子源的確定性和高品質這兩個基本問題；2016年， 產生了國際最高效率的全同單光子源，並在此基礎上，於2017年初步應用於構建超越早期經典計算能力的針對波色取樣問題的光量子計算原型機，其取樣速率比國際上當時的實驗提高24000多倍。
2019年，中國科大研究組在實驗上同時解決了單光子源所存在的混合偏振和激光背景散射這兩個最後的難題：成功研製出了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源。
量子計算領域的一個里程碑
此次，中國科大研究組利用自主發展的國際最高效率和最高品質單光子源、最大規模和最高透過率的多通道光學干涉儀，成功實現了20光子輸入60×60模式（即：60個輸入口，60層的線路深度，包括396個分束器和108個反射鏡）干涉線路的玻色取樣實驗。
這一成果與牛津大學、維也納大學、法國國家科學院、布里斯託大學、昆士蘭大學、羅馬大學、麻省理工學院、馬里蘭大學等國際同行的類似工作相比，實驗成功操縱的單光子數增加了5倍，模式數增加了5倍，取樣速率提高了6萬倍，輸出態空間維數提高了百億倍。其中，由於多光子高模式特性，輸出態空間達到了三百七十萬億維數，等效於48個量子比特展開的希爾伯特空間。
因此，實驗首次將玻色取樣推進到一個全新的區域：無法通過經典計算機直接全面驗證該波色取樣量子計算原型機，朝著演示量子計算優越性的科學目標邁出了關鍵的一步。
為什麼隨機量子線路經典計算機很難模擬？舉個例子來，比如一個50比特的隨機量子線路採樣，最終輸出的量子態的態空間的維度是250，如果使用經典計算機模擬，首先要存儲如此高維度的量子態是極其困難的，其次，在如此高維的計算空間上，模擬每一層的量子計算操作，直至輸出最終的計算結果，更是難上加難！
因此，審稿人指出：這個工作是「一個巨大的飛躍」、「更是通往實現量子計算優越性的彈簧跳板」。美國物理學會Physics網站 總結指出：「這意味著量子計算領域的一個里程碑：接近經典計算機不能模擬量子系統的地步。」
量子計算，未來可期
2019年10月23日，權威雜誌《自然》刊出了谷歌量子AI團隊的最新科研工作，在持續重金投入量子計算13年後，成功地用實驗證明「量子優越性」。即在特定任務上，量子計算機可以大大超越經典計算機的計算能力了。
論文報道了谷歌團隊基於一個包含53個可用量子比特的可編程超導量子處理器，運行隨機量子線路進行採樣，耗時約200秒可進行100萬次採樣，並且估計如果使用目前最強超算Summit來計算得到同樣的結果，需耗費約 1 萬年。據此，谷歌宣稱實現了「量子霸權」。
實際上，「量子優越性」代表了兩個方面的競爭，一方面量子晶元的比特數和性能不斷擴張，在某些問題上展現出極強的計算能力；另一方面，經典演算法和模擬的工程化實現也可以不斷優化，提升經典演算法的效率和計算能力。所以，如果能夠提升經典模擬的能力，那麼谷歌的量子設備有可能就無法打敗最強超算，從而「稱霸」失敗。
對於谷歌的「稱霸」，IBM是第一個跳出來表示「不服」的。IB指出谷歌對隨機量子線路的經典模擬優化得並不好，如果採用內存和硬碟混合存儲方案，模擬53比特、20深度的量子隨機線路採樣，僅需2.5天。IBM還宣稱這只是他們保守的估計，可謂「一萬年太久，只爭朝夕」。
畢竟，經典演算法的發展以及超算上的工程化實現，還有提升空間。「量子優越性」本身也是經典計算和量子計算博弈和演進的過程。谷歌此次宣稱的「量子優越性」，目的僅僅是為了在實驗上證明量子計算機確實有超越目前最強超算的能力，這並不意味著已經實現了實用化的量子計算機。「量子優越性」對於量子計算的發展，僅僅是一個開始。
今年9月份，在合肥舉辦的新興量子技術國際大會的白皮書指出，量子計算研究可以沿如下路線開展：「第一個階段是實現量子優越性，即針對特定問題的計算能力超越經典超級計算機，這一階段性目標將在近期實現；第二個階段是實現具有應用價值的專用量子模擬系統；第三個階段是實現可編程的通用量子計算機，還需要全世界學術界的長期艱苦努力。」
實現「量子霸權」絕不是終點，而是一個起點。量子計算，未來可期。
來源：科技日報
編輯：李俊霞
審核：王小龍
