陳思佳：中國量子計算到底有多領先，看看這個“桶”…
（文/觀察者網 陳思佳 編輯/蕭洋）
“比超級計算機快億億億倍。”
近日，我國量子計算研究獲重要進展，中國科學技術大學潘建偉團隊在論文中介紹，經過一系列改進，光量子計算機“九章二號”處理特定問題的速度比超級計算機要快上億億億倍，超導量子計算機“祖沖之二號”在量子隨機線路採樣問題上的計算速度，也比目前最快的超級計算機快一千萬倍。
這意味着，我國成為了世界上唯一在兩種物理體系達到“量子計算優越性”里程碑的國家。
11月5日，觀察者網走訪了中國科學技術大學上海研究院，實地探訪了“祖沖之二號”超導量子計算機，還與多名深度參與“祖沖之二號”的科研人員聊起更多研發故事。
來自合作研發單位國盾量子的專家表示，相關計算機採用了新概念、新技術、新工藝，而取得了這一耀眼成果的團隊也極為年輕。量子計算機論文作者中就不乏96年、97年出生的年輕研究員，最年輕的一位出生於99年，“團隊大部分年齡是95後”。
國外同行對於這一系列成果也給予高度評價。加拿大卡爾加里大學量子科學與技術研究所主任巴里·桑德斯就表示，潘建偉團隊取得的成果令人印象深刻，“兩台實驗性量子計算機解決迄今最複雜的問題，這意味着關於量子計算機能否實現量子優越性的爭論已經結束。”
不過，專家也特意向我們提及，現在的量子計算機還只能用於解決特定問題，距離通用量子計算機還有很長距離，未來，中等規模量子計算機有望在特定領域得到應用。
此外，在大規模通用容錯量子計算機最終實現之後，它將可以在化學反應計算、材料設計、藥物合成、密碼破譯、大數據分析和機器學習、軍事氣象等領域產生顛覆性影響。
看起來平平無奇的“桶”
在中國科學技術大學上海研究院的實驗室裏，觀察者網在現場看到了“祖沖之二號”超導量子計算機。在這個依靠巨大的支架“懸”在半空中、外觀看起來平平無奇的“桶”裏，就有着我國的超導量子計算機“祖沖之二號”。
據專家介紹，“桶”是提供接近絕對零度的極低温環境的製冷設備，整體的構造是為了儘可能減少“祖沖之二號”運行中的各種干擾。
“祖沖之二號”超導量子計算機設備
就在最近，我國的量子計算機研發工作又取得重大進展。中國科學技術大學潘建偉團隊近期發表的兩篇論文，就介紹了本文開頭提及的研究成果。
一直以來，多國科學家都在探索基於多種不同物理體系的量子計算研究，比如光學體系、超導量子比特體系、離子阱體系、超冷原子體系……其中，光學體系被業內認為具備適合量子模擬等優勢。
而在這一領域，潘建偉團隊一直處於國際領先水平。
2017年，潘建偉團隊構建了首台超越早期經典計算機的光量子計算原型機。2020年，潘建偉團隊成功構建了76光子、100模式的高斯玻色採樣量子計算原型機“九章”，使我國成為第二個實現量子計算優越性的國家。
但“九章”相對而言還存在一些弱項，《科技日報》曾介紹，“九章”總系統效率偏低，其中主要損耗之一來自光源。在當前的技術條件下，製備可編程、低損耗、足夠大規模的光學干涉儀也存在巨大挑戰，因此優先考慮低損耗、大規模的“九章”的光學儀器不可編程，應用場景受到限制。
與一年前的“九章”相比，潘建偉、陸朝陽等人組成的研究團隊此次構建的“九章二號”，進行了一系列技術創新。
“九章二號”實驗照片 圖自中國科學技術大學
據專家介紹，研究人員在激光“受激輻射光放大”概念的啓發下，設計並實現了受激雙模量子壓縮光源，顯著提高了量子光源的產率、品質和收集效率。其次，通過三維集成和收集光路的緊湊設計，“九章二號”的多光子量子干涉線路增加到了144維度。
經過這一系列改進，“九章二號”探測到的光子數增加到了113個，輸出態空間維度達到了10的43次方。通過動態調節壓縮光的相位，研究人員還進一步實現了對高斯玻色取樣矩陣的重新配置，演示了“九章二號”可用於求解不同參數數學問題的編程能力。
這使得“九章二號”在特定問題上的計算能力達到了超級計算機的億億億倍。根據現有理論，“九章二號”處理高斯玻色採樣的速度比目前最快的超級計算機還要再快10的24次方倍。
在超導量子計算領域，我國科研人員則實現了後來居上。據專家介紹，超導量子計算核心部件量子處理器基於類似於半體芯片的工藝技術製備，在大規模擴展上具有很大優勢，同時其控制採用常規的電子學技術實現，容易實現編程操作。這同樣是有希望實現最終的實用化的重要量子計算路線。
《科技日報》此前介紹，作為可拓展量子計算的候選途徑之一，超導量子計算的核心目標是如何同步地增加集成的量子比特數目以及提升超導量子比特性能，從而能夠高精度相干操作更多量子比特。
今年5月，潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊成功研製62量子比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”，並在此基礎上實現可編程的二維量子行走。
此次研究團隊在“祖沖之號”的基礎上，又採用全新的倒裝焊3D封裝工藝，解決了大規模比特集成的問題，成功研製“祖沖之二號”，實現了66個數據比特、110個耦合比特、11路讀取的高密度集成，最大態空間維度達到了10的19次方。
“祖沖之二號”還採用了可調耦合架構，實現了比特間耦合強度的快速、精確可調，顯著提高了並行量子門操作的保真度。
“祖沖之二號”芯片示意圖 圖自中國科學技術大學
經過這一系列改進，“祖沖之二號”通過操控其上的56個量子比特，在隨機線路採樣任務上實現了量子計算優越性。這使得我國首次在超導量子計算領域達到量子計算優越性的里程碑，我國也成為目前世界上唯一在兩種物理體系達到量子計算優越性的國家。
不僅如此，研究團隊隨後又對“祖沖之二號”進行了性能升級，通過操控其上的60個量子比特，完成的任務又提高了3個數量級，任務難度比2019年穀歌“懸鈴木”高出百萬倍。
這意味着根據目前已公開的最優經典算法，“祖沖之二號”在量子隨機線路採樣問題上的處理速度，比當前最快的超級計算機快一千萬倍。
量子計算：在一些特定領域上相對經典計算有優勢
早在上世紀80年代，就有科學家提出了將量子效應引入信息處理的構想，量子計算的概念開始出現在世人眼中。經過近四十年的理論和技術發展後，量子計算正逐漸從模糊的構想化為現實。
量子效應與日常世界存在很大差異。在經典計算中，信息由“比特”表示，具有“0”和“1”兩種狀態，通過“門”來操作比特、執行計算。但量子計算機中用到的“量子比特”則與經典比特完全不同。
量子計算利用量子力學基本特性計算，是一種完全不同於經典計算的計算模式。量子比特不僅可表示“0”或“1”兩個狀態，同時還能表示兩個值任意權重的疊加。這意味着1個量子比特對應一個2維空間，N個量子比特對應的則是2的N次方維空間。
這些特點使得量子計算機具備了極強的並行計算能力，這種強大的運算能力也讓量子計算機有可能完成部分經典計算機無法解決的任務。
國盾量子高級工程師楊威風博士就向觀察者網表示，量子計算機的計算能力是一個指數級的加速，將來它的計算能力相對於經典計算機有質的提升。
國盾量子專家楊威風博士
另一位業內專家也告訴觀察者網，由於量子計算機計算能力隨着規模指數增長，在量子計算與經典計算的這場競賽中，量子計算可以輕鬆保持優勢。量子計算利用量子力學的基本特性進行計算，是一種完全不同於經典計算的計算模式。
“祖沖之二號”、谷歌“懸鈴木”和超級計算機“富嶽”完成隨機線路採樣問題時間對比 圖自中科院量子計算雲平台
不過專家同時指出，經典計算機的算力以及算法在不斷發展，量子優越性演示不是一蹴而就的事，而是一個過程。“量子計算解決一個具體問題還需要有相應的量子算法，目前只在一些特定領域的問題上有高效的量子算法。因此量子計算只在一些特定領域的問題上相對經典計算有優勢，並不能替代經典計算機。”
他表示，量子計算機的優勢在於可通過特定算法在一些具有重大社會和經濟價值的問題方面，獲得比經典計算機更強的算力。大規模通用容錯量子計算機可以在化學反應計算、材料設計、藥物合成、密碼破譯、大數據分析和機器學習、軍事氣象等領域產生顛覆性影響。
“研製容錯的通用量子計算，因其苛刻的容錯閾值和大尺度的量子比特數目，離目前人類的科技發展水平尚有不小的差距。在容錯的通用量子計算研製出之前，帶噪聲的中等規模量子計算機也有望在特定領域找到有實用價值的應用，預期應用包括量子機器學習、量子化學、量子近似優化等。”
對於量子計算機的研究，本領域的國際同行公認有三個指標性的發展階段：
一是發展具備50到100個量子比特的高精度專用量子計算機，實現計算科學中的“量子計算優越性”里程碑；二是研製可相干操作數百個量子比特的量子模擬機，用於解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題；三是研製可編程的通用量子計算原型機。
如今，我國剛剛實現了在光量子計算和超導量子計算兩個物理體系中達成第一個里程碑。
在其他技術路線方面，中國同樣也沒有放慢研究的步伐。楊威風表示，我國的光量子和超導量子計算現在都處於世界領先水平，而諸如離子阱、硅自旋等技術路線的研究同樣在進行中。
業內專家也向觀察者網透露，在超冷原子體系上，我國目前整體與歐美發達國家處於並跑狀態，在規模化原子糾纏的製備與操縱，對自旋軌道耦合、超冷分子反應等的量子模擬方面取得了系列重要成果，為解決若干經典計算機難以勝任的複雜問題奠定了基礎。
“沒想到他們竟然會在一週裏同時公佈兩個量子計算結果”
其實早在今年6月，“祖沖之二號”和“九章二號”的論文就已在預印本平台arXiv提前公開，這一系列成果也很快引起國際學術界、媒體和公眾的廣泛關注。有國際同行大讚潘建偉團隊取得了令人印象深刻的進步。
美國知名科普雜誌《科學美國人》7月就以“新的研究表明，中國在全球量子競賽中取得領先”為題發文稱，在2017年中國科學家從“墨子”號衞星發射糾纏光子、進行首次量子安全視頻通話時，中國已在量子通信方面取得領先，而新的成果表示這種優勢已經擴大到量子計算領域。
得克薩斯大學奧斯汀分校知名量子計算機科學家、高斯玻色採樣的共同提出者斯科特·亞倫森（Scott Aaronson）也告訴該雜誌，這是一個令人興奮的成果，“我沒想到他們竟然會在一週裏同時公佈兩個量子計算結果。”
美國在量子計算機領域的發展也極為迅速。2016年，美國IBM公司就率先推出一台5量子比特的量子計算原型機。2019年，美國谷歌公司又宣佈成功研製53個量子比特的超導量子計算機“懸鈴木”（Sycamore），並完成了量子隨機線路採樣的快速解決，首次實現量子計算優越性的里程碑。
潘建偉團隊取得的最新成就也隨之引出了一個問題，“中國在量子信息技術上領先美國了嗎？”
對此《科學美國人》自問自答地寫道，這或許取決於如何衡量這個問題，儘管外界估計各有一定出入，但中美兩國每年為量子計算研究提供的資金都超過1億美元。美國在量子計算專利方面或許還有一定優勢，但中國在量子技術的各個領域都有建樹，而且還擁有世界上最先進的兩台量子計算機。
美國物理研究所的科學政策分析師米奇·安布羅斯（Mitch Ambrose）評價稱，“這是美國要面對的新問題，它在很多領域領先了很長時間，沒有真正去思考過落後意味着什麼。”
“新研究表明中國在全球量子競賽中取得領先” 《科學美國人》7月報道截圖
10月25日，潘建偉團隊的兩篇論文在《物理評論快報》發表時，加拿大卡爾加里大學量子科學與技術研究所主任巴里·桑德斯（Barry Sanders）也受邀在該報“觀點”（viewpoint）欄目發表評論文章，稱讚實驗結果取得了“令人印象深刻的進步”。
桑德斯在文章中寫道：“兩台實驗性量子計算機解決迄今最複雜的問題，這意味着關於量子計算機能否實現量子優越性的爭論已經結束。”
而取得了這一系列耀眼成果的研究團隊，則可以説是非常年輕。參與研發工作的專家告訴觀察者網，例如“祖沖之二號”量子計算優越性論文的作者之一王梁媛為97年出生、洪林音是96年出生，最年輕的張一鳴則是99年出生，“團隊大部分年齡是95後。”
為完成在兩種物理體系實現量子計算優越性的目標，研發團隊也是夜以繼日地辛勤拼搏。楊威風表示，整個團隊春節期間也幾乎沒有停下工作，“大年三十的時候，還有人在這裏加班。”
他還提到，在研發過程中團隊也有受到新冠疫情的影響，有一些成員只能通過線上辦公參與工作，“有時候要經常召集大家開會，因為我們這個任務比較緊急，有時候開會可能都有到夜裏，可能到十點、十一二點還在進行。”
距離真正的通用量子計算機還有多遠？
目前的量子計算機還只能用於解決特定的問題，而距離最終研製“可編程的通用量子計算原型機”的發展階段還有很長一段距離，需要好幾道難關。
楊威風告訴觀察者網，到通用量子計算現在基本上是分三大步來走。“第一步就是原理性的驗證方面，這一塊基本上我們現在都已經完成了。第二步就是我們面對這個量子糾錯這一塊，量子糾錯這一塊，大概在五年左右的時間來進行吧。最後一步就是實現容錯量子計算，實現了這個目標，才能真正實現我們所謂的通用量子計算。”
另一位業內專家也表示，實現真正的通用量子計算機首先要攻克量子糾錯這個難關，在實現量子糾錯後需要解決大規模系統的集成和控制問題，最後還需要探索有實用價值的算法。
“量子計算機也面臨着製造成本昂貴、維護難度大、技術門檻高等實際問題。目前量子計算優越性已得到實驗性驗證，只有產業界與學術界聯手，吸引各方面的力量共同加入，才能推動量子計算進入到實用化優勢探索新階段。”
儘管距離通用量子計算還有很長的路要走，但國內外都已開始探索量子計算在現階段的應用方式，其中最具代表性的就是“量子計算雲平台”。據介紹，2016年，IBM公司就把全球第一台5比特量子計算連接到互聯網，後續不斷增加比特數量，谷歌、亞馬遜、Xanadu等巨頭都有開放這些雲平台。
在國內，中科院量子信息和量子科技創新研究院2017年也上線了“量子計算雲平台”，2018年接入了11比特超導量子計算原型機，一舉成為接入比特數最多的量子計算雲平台。2021年又升級接入12比特的真實超導量子計算機。
中科院量子計算雲平台網站截圖
專家表示，通過“雲平台”，用户不需要自己搭建專業門檻較高的量子計算系統，就可以在真實的物理量子比特上驗證想法或優化算法，“只有產業界、學術界，各個學科和領域的共同參與，不斷探索應用落地，才能加速通用量子計算技術走向成熟。”
對此楊威風還向觀察者網透露，中科院量子創新研究院的量子云平台未來計劃上線一台 60 比特的量子計算機，可以供各界使用。“到時候大家有什麼好的想法或算法，可以在上面運行一下。”
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