全球热议：如何看待中国「九章」超越谷歌实现「量子优越性」

来源：新智元

昨天，是被「九章」刷屏的一天！

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队，构建了76个光子的量子计算原型机「九章」，能在一分钟完成超级计算机需要一亿年才能完成的任务。

等效地，「九章」比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机「悬铃木」快一百亿倍。

图片来源：文汇网

它宣告：中国是世界上第二个实现量子优越性的国家。

在国内外，「九章」都引起了不小的轰动。它的意义究竟为何？与之前的谷歌相比，它是一种超越吗？

给怀疑派的有力回击：让质疑声飞一会吧！

Scott Aaronson，领域内的重要专家之一，他专门发博文解读这项研究的意义。

更重要的是，他也是这篇论文的审稿人之一。

ScottAaronson

还记得去年谷歌宣称实现「量子霸权」吗？谷歌用一台 53 量子比特的量子计算机实现了传统架构计算机无法完成的任务。

当时，另一个科技巨头——IBM有一万个不服气。

IBM向外界发出声音：谷歌的实验存在缺陷，「实现量子霸权」的说法也有待商榷。他们认为，在经典计算机上模拟谷歌量子计算机的结果其实只需要2.5天，而且保真度要高得多。

IBM 的研究主管 Dario Gil 也质疑称，「『霸权』这种字眼，会对所有人产生误导。」

IBM 的研究者在 arXiv 上发表了一篇名为《Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits》的论文，称在经典超级计算机上模拟谷歌的量子电路根本不需要一万年，2 天半就能做到。（这个 2 天半也是估算）

IBM计划在2023年实现超快速量子计算的巨大飞跃

另外， Gil Kalai本人是一个量子霸权的怀疑派，他曾专门写过文章论证——为何用多个光子做玻色采样理论上绝不可能成功。

所以，这次中国的研究是传统方法很难模拟的，相当于给了IBM一个「打脸」。

有业内领域科学家评论道：「这个工作使得他们和去年的Google站在了一起。」

Scott还在博客中写道，在他审稿的时候，他也向团队发出疑惑：为什么只做三十个光子？为什么不「多多益善」？

过了几个礼拜，作者回复说，「我们听你的做了四十个光子的，结果花了四十万美金……」

Scott还讲述了一个小插曲，就在美国疫情爆发的时候，到处都买不到口罩，而那个时候中国已经可以自产口罩了！陆朝阳给 Scott 寄了两百个口罩过去，他感动不已。但Scott 说：「我当然很感激！，但我绝对没有在审稿的时候偏心！」 

去年， Google 首次实现量子霸权的时候，Google CEO Pichai 说这是量子计算领域的 「Hello World moment」。

量子霸权这个词的发明人 John Preskill 当时也说：他在 2012 年提出量子霸权这个概念的时候问过，大规模量子计算究竟是非常非常困难，还是不可思议地困难？前者意味着还有几十年的路要走，后者意味着可能还要几个世纪。Google 这个成果让他更相信前者了。

一年后，潘、陆这篇论文就又把 Google 的工作往前推进了一大步。

也有科学家感慨道，「欧洲应该慎重考虑和中国的伙伴关系，包括科学、技术和商业等方面，我们不要错过历史的列车和潮流，特别是量子计算、量子模拟和量子技术的高速列车。」

Nature更是刊登了一篇名为：「中国物理学家挑战谷歌量子优越性」的文章。

罗马萨皮恩扎大学的量子物理学家Fabio Sciarrino说：「我的第一印象是，哇！」

玻色子采样，是怎样的另辟蹊径？

Google的名为「悬铃木」是基于超导材料制成的微小量子位，该量子位无阻地传导能量。

相反，九章由复杂的光学设备阵列组成，这些光学设备将光子穿梭在周围。这些设备包括光源，数百个分束器，数十个镜子和100个光子探测器。

玻色子采样解决的问题本质上是「光子的分布是什么？」玻色子采样是一台量子计算机能够解决本身是光子的分布。同时，经典计算机必须通过计算矩阵的「永久」来计算光子的分布。

对于两个光子的输入，这只是使用二乘二阵列的简短计算。但是，随着光子输入和检测器数量的增加，阵列的尺寸会增加，从而成倍地增加了问题的计算难度。

通过使用称为玻色子采样的过程，九章生成的数字分布对于传统计算机而言非常难以复制。

它是这样工作的：光子首先被发送到通道网络中。在那里，每个光子都会遇到一系列分束器，每个分束器会同时沿两个路径将光子发送出去，这就是所谓的量子叠加。路径也合并在一起，重复的分裂和合并使光子根据量子规则相互干扰。

「九章」量子计算原型机光路系统原理图

最后，测量每个网络输出通道中的光子数。当重复多次时，此过程将根据每个输出中发现的光子数量产生数字分布。

如果使用大量光子和许多通道进行操作，量子计算机将产生一个经典计算机无法计算的复杂数字分布。在新的实验中，多达76个光子穿过100个信道的网络。对于世界上最强大的经典计算机之一，中国的超级计算机「神威太湖之光」来说，预测量子计算机在超过40个光子的情况下会得到什么结果是很难的。

76个光子100个模式的「九章」，其算力究竟有多强？

一组数据可以说明：在室温条件下运行（除光子探测部分需4K低温），计算玻色采样问题，「九章」处理5000万个样本只需200秒，超级计算机需要6亿年；处理100亿个样本，「九章」只需10小时，超级计算机需要1200亿年——而宇宙诞生至今不过约137亿年。 

「九章」处理特定问题的速度甚至比目前世界排名第一的超级计算机「富岳」要快一百万亿倍。

根据目前的公开资料，与谷歌去年推出的「悬铃木」相比，「九章」有三大优势：

一是速度更快。虽然算的不是同一个数学问题，但与最快的超算等效比较，「九章」比「悬铃木」快100亿倍。

二是环境适应性。「悬铃木」需要零下273.12摄氏度的运行环境，而「九章」除了探测部分需要零下269.12摄氏度的环境外，其他部分可以在室温下运行。

三是弥补了技术漏洞。「悬铃木」只有在小样本的情况下快于超算，「九章」在小样本和大样本上均快于超算。

那么，「九章」是如何实现对谷歌「悬铃木」的超越的呢？

「虽然九章和悬铃木分别被设计用来处理不同问题，但如果都和超算比的话，‘九章’等效地比‘悬铃木’快了一百亿倍，且克服了样本数量依赖的缺陷。」团队成员之一陆朝阳说。

由于操纵量子比特数量的大幅增加，「九章」的输出态空间（量子纠缠可能出现的状态）达到了10的30次方——如果要将这些状态全部纪录下来，目前世界上所有内存硬盘光盘全部用上也不够。

而「悬铃木」的输出态空间为10的16次方，两者相差了十几个数量级，这也是导致「悬铃木」未能充分体现「量子计算优越性」的原因之一。

实际上，就在去年谷歌宣布「悬铃木」的同期，潘建伟团队已经实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，输出复杂度相当于48个量子比特的输出态空间，逼近了「量子计算优越性」。

此后，团队与中科院上海微系统与信息技术研究所合作，自主研发出高性能光子探测器，实现了后来居上。

陆朝阳说，虽然谷歌是第一个突破量子至上壁垒的人，但里程碑不是「一次性的成就」，这是不断改进的量子硬件与不断改进的经典仿真之间的持续竞争。

参考链接：

https://www.sciencenews.org/article/new-light-based-quantum-computer-jiuzhang-supremacy

https://www.scottaaronson.com/blog/?p=5122

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