量子計算機再次證明了自身的優(yōu)越性

Chris Palmer

Senior Technology Writer

2020 年12 月，中國團隊的九章全光子系統(tǒng)運行了200 s，據(jù)團隊估計，這相當(dāng)于一臺超級計算機運行25 億年[1]。這一成就標(biāo)志著量子計算機進入了高速發(fā)展階段。目前，雖然仍難以斷言量子計算何時以及是否能實現(xiàn)預(yù)期能力，但多家公司在技術(shù)層面上積極競爭，以找尋問題的答案。

奧地利維也納大學(xué)的量子計算小組組長及物理學(xué)教授Philip Walther說：“中國團隊取得了驚人的成就?！?/p>

九章這一壯舉再次驗證了量子計算機的優(yōu)越性，在特定任務(wù)處理上量子計算系統(tǒng)碾壓了世界上最強的傳統(tǒng)計算機。在九章問世一年多以前，谷歌才于2019年10月宣布了54-bit量子計算機Sycamore，首次證明了量子計算機的優(yōu)越性。這臺計算機基于超導(dǎo)金屬線圈，采用了與傳統(tǒng)計算機完全不同的構(gòu)架。谷歌稱Sycamore在3 min內(nèi)能解決的問題，國際商業(yè)機器公司（IBM）的一臺傳統(tǒng)超級計算機需要花10 000 年才能解決[2]。然而IBM 工程師對這一成就嗤之以鼻，認(rèn)為IBM 超級計算機在最優(yōu)算法的幫助下數(shù)天內(nèi)也能計算出相同結(jié)果[2]。

九章計算機由位于中國安徽合肥的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的物理學(xué)教授潘建偉和陸朝陽領(lǐng)導(dǎo)團隊研制而成，是一臺玻色取樣算法機器。2010 年美國馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院的工程師Scott Aaronson和Aleksandr Arkhipov首次通過該設(shè)備展示了量子計算機的優(yōu)越性[3]。九章的工作原理是，在一個約3 m2的光學(xué)臺（圖1）上，向一個由300個分束器和75個反射器組成的復(fù)雜路徑發(fā)送光子，進行計算——這里的光子指玻色子而非費米子，即自旋量子數(shù)為整數(shù)的基礎(chǔ)粒子。

圖1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程師團隊在一個約3 m2大的光學(xué)臺上用300個分束器和75個反射器制成了該光子設(shè)備，求解數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣只需200 s。該團隊估計，傳統(tǒng)超級計算機需25億年才能取得同樣的結(jié)果。來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（公開信息）。

在量子疊加態(tài)中，九章的復(fù)雜分束器網(wǎng)絡(luò)可在兩條光路同時輸出光子，光路也可相互融合。依據(jù)量子力學(xué)規(guī)則，光路的分離與融合會在光子間產(chǎn)生干涉，探測器則負(fù)責(zé)捕捉通過臺面設(shè)備輸出通道的100個光子。經(jīng)多次運行過程，得出各輸出通道輸出的光子數(shù)量分布，就像伽爾頓板實驗得出的小球的正態(tài)分布[4]。九章可以直接測量這種分布，尤其是在光子和通道數(shù)量巨大時，傳統(tǒng)計算機難以進行分布計算。研究人員可以通過排列分束器和反射器位置對九章進行“編程”，以解決特定搜索或取樣問題。

2019 年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團隊驗證了14 個光子進行玻色取樣的結(jié)果[5]，這樣的結(jié)果利用普通筆記本電腦很難去計算，不過對于超級計算機還是很輕松的?，F(xiàn)有設(shè)備200 s內(nèi)每運算一次平均捕捉43個光子，其中有一次運算捕捉到了76 個光子。據(jù)團隊估計，中國神威·太湖之光（China’s Sunway TaihuLight）超級計算機需要25 億年才能計算出相同的分布[1]。

Walther說道：“他們用這樣數(shù)量的光子提升了整個量子計算機的上限，足以證明傳統(tǒng)計算機無法做到類似計算，也比谷歌Sycamore高出好幾個數(shù)量級?！?/p>

雖然許多人崇拜九章背后的工程成就，但一部分研究人員并沒有特別激動。美國俄克拉荷馬州立大學(xué)的工程學(xué)教授及量子力學(xué)和密碼學(xué)專家Subhash Kak 說道：“這個試驗需要付出大量心血，精細度極高，但是我覺得這個試驗主要還是為了炫耀自身?，F(xiàn)在真正制成一臺量子計算機是極為困難的。”

而且，與IBM 公開否認(rèn)Sycamore 一樣，一些研究人員也對九章量子優(yōu)越性的言論抱有懷疑態(tài)度。美國南加利福尼亞大學(xué)的物理學(xué)副教授及量子計算研究人員Itay Hen說道：“從實驗角度看，這確實是一個技術(shù)壯舉，但是我認(rèn)為九章并沒有展現(xiàn)出量子計算的真正優(yōu)勢。我?guī)缀蹩梢员ＷC，在不久的將來，有人會回過頭對我說，‘看，因為你不斷地試錯和所做的底層假設(shè)，我們才能更快地進行傳統(tǒng)運算?！?/p>

對于九章玻色取樣計算的有用性，Walther 承認(rèn)九章是相當(dāng)專業(yè)的，難以投入常規(guī)使用。他說：“對于光子，基于干涉的計算概念很簡單。如果運用傳統(tǒng)教科書式的算法進行計算，并用許多2-qubit 門操作，對于光子來說就太難了?！?/p>

加拿大多倫多的Xanadu 公司正開發(fā)一種更實用、更“普遍”的光量子計算機。這種量子計算機基于集成硅光元件運行，能安裝在計算機上，而不是像九章一樣的臺面設(shè)備。Xanadu公司的最新芯片是大小為4 mm×10 mm的X8，實際上相當(dāng)于一個8-qubit量子計算機[6]。發(fā)射進X8芯片的紅外激光脈沖耦合輸入微型共振器，以產(chǎn)生所謂的“擠壓態(tài)”，該“擠壓態(tài)”由數(shù)個光子疊加態(tài)構(gòu)成。然后，光子從芯片輸出到超導(dǎo)體探測器，由后者進行計數(shù)，最后得出量子計算的答案。

該公司工程師稱其芯片是由傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)制造，方便集成到現(xiàn)有的纖維光學(xué)電信基礎(chǔ)設(shè)施。該項技術(shù)可以將量子計算機組成一個“無法被黑客入侵”的量子網(wǎng)絡(luò)，并已經(jīng)得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊的驗證[7]。Xanadu 公司稱其至2026 年可以將芯片規(guī)?；?00萬量子位，其中大部分量子位將用于修正量子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)錯誤，而非進行數(shù)據(jù)處理[6]。

然而美國加利福尼亞帕洛阿爾托的PsiQuatum公司也在進行光子芯片研究，該公司已經(jīng)籌集2.15億美元用于制造一臺自己的可編程光量子計算機[8]。該公司認(rèn)為，在GlobalFoundries公司（世界半導(dǎo)體制造商領(lǐng)頭羊之一，位于美國加利福尼亞圣克拉拉）的幫助下，2025 年以前該公司能制造出一臺百萬量子位計算機。

盡管利用超導(dǎo)循環(huán)和光子設(shè)備進行的量子計算都是以宣傳其優(yōu)越性而登上頭條，但使用基于俘獲離子和所謂的中性原子的量子計算構(gòu)架的研究人員也取得了進展。由于這些系統(tǒng)中的量子位是一樣的，這些系統(tǒng)比超導(dǎo)或半導(dǎo)量子位更能保證量子相干性，因此提升了在量子位退相干之前成功完成計算的概率。

美國馬里蘭大學(xué)學(xué)院公園分校的初創(chuàng)公司IonQ，在2021 年3 月舉辦的20 億美元特殊目的收購公司（special purpose acquisition company, SPAC）交易中成功上市[9]。該公司使用激光設(shè)備讀取磁場俘獲鐿離子的量子態(tài)。據(jù)IonQ 工程師最近報道，13 個物理量子位加密的邏輯量子位錯誤率只有0.3% [10]。2020 年8 月，IonQ 在亞馬遜Braket 云平臺上向大眾公開了其11-qubit 計算機。短短三個月后，該公司就公布了32-qubit版本[11]。

總部在美國北卡羅來納夏洛特的一家國際技術(shù)和制造集團霍尼韋爾（Honeywell），加入這一競爭。2021 年6月，公司宣布將旗下量子計算部門與英國劍橋量子計算公司進行合并。劍橋量子計算公司主要開發(fā)量子化學(xué)、量子機器學(xué)習(xí)、量子增強網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用等[12]。數(shù)個月以前，在2021年3月，霍尼韋爾宣布其俘獲離子量子計算機的量子體積達512[13]，系目前所有公司開發(fā)的量子計算機的最高值。量子體積是計算一個系統(tǒng)量子位數(shù)量和量子退相干次數(shù)的指標(biāo)，不僅可以全面了解一個系統(tǒng)的計算規(guī)模，也能了解該系統(tǒng)在計算時的可靠性。

雖然研究中性原子計算的初創(chuàng)公司籌集資金較少，技術(shù)也相對欠發(fā)達，但是這些系統(tǒng)也展示了自身潛能。這些公司使用激光脈沖在真空管中俘獲原子。然后其他激光設(shè)備激活原子最外層電子，并讓電子遠離原子核，由此將原子大小膨脹幾十億倍。一旦進入這個狀態(tài)，原子就像離子一樣運動，并與周圍原子進行電磁互動，由此形成糾纏量子位用于計算。

法國Pasqal公司已經(jīng)制作出200-qubit的中性原子處理器，計劃于2021年下半年投入云端服務(wù)器設(shè)備[14]。該公司希望在2023 年前開發(fā)出1000-qubit 計算機[15]。美國科羅拉多博爾德新成立的Coldquanta公司也在主攻中性原子計算，計劃于2021 年下半年發(fā)布100-qubit 設(shè)備，于2023年發(fā)布1000-qubit版本設(shè)備。

Walther說：“離子計算發(fā)展程度高，尤其在歐洲和美國，而中性原子計算也正在趕上來。我相信在不遠的將來也能看到有關(guān)它們自身優(yōu)越性的宣傳。這是一場決定最優(yōu)系統(tǒng)的公開賽，我很期待看到最后的勝者。”