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中国科学技术学院潘建伟、陆朝阳团队建立的一套光量子估算系统，近来在高斯玻色取样（Boson）问题上取得重要突破，求解速率达到目前全球最快的超级计算机的一百万亿倍，远远超过精典计算机。
这意味着中国科学家首次实现“量子霸权”（），另一个说法是量子优越性（），即在某个特定问题上的估算能力远超现有最强的传统计算机，而传统计算机在有限时间内未能完成估算。
上海时间12月4日下午，该工作在《科学》杂志在线发表，论文标题为“用光子实现量子估算优越性”（using）[1]。
“这是一个巨大的技术突破”，美国马克斯·普朗克量子光学研究所理论部部长伊格纳西奥·西拉克（Cirac）表示，“远超其他高斯玻色取样实验。
“我有点错愕，由于这项实验极其困难”，佛罗里达学院奥斯汀校区的计算机科学院长斯科特·亚伦森（Scott）在电邮中告诉《知识分子》。
光量子估算首次实现量子估算优越性
潘建伟将该光量子估算系统命名为“九章”，借以记念中国唐代最早的物理著作《九章算术》。
量子计算机可以解决一些超出传统计算机估算能力的问题量子通讯潘，“九章”解决的“高斯玻色取样”问题就是一种。
“高斯玻色取样”是一种复杂的取样估算，其估算难度呈指数下降，很容易超出目前超级计算机的估算能力，适宜量子计算机来探求解决。它是“玻色取样”问题的一种，而玻色取样问题是量子信息领域第一个在物理上被严格证明可以拿来演示量子估算加速的算法。
在本研究中，潘建伟和朋友们建立了76个光子的量子估算靶机“九章”，实现了“高斯玻色取样”任务的快速求解。具体来说，“九章”在一分钟时间里完成了精典超级计算机一亿年才会完成的任务。
2019年10月，日本化学学家John率领的微软团队实现“量子霸权”，她们开发的“悬铃木”（）芯片采用超导量子估算，形成53个量子比特，声称能用200秒完成精典超级计算机大概一万年才会完成的估算。[2]
作为高斯玻色取样的共同提出者，亚伦森表示，虽然微软的团队今年早已实现“量子霸权”，但这个概念极其重要，须要多个团队用多种技术重复去否认，为此他十分高兴见到此次的成果。
与微软采用零下273摄氏度左右的超导线圈形成量子比特不同，潘建伟团队的实验用光子实现量子估算过程，大部份实验过程在常温下进行。她们将一束订制的激光分成硬度相等的13条路径，聚焦在25个晶体上形成25个特殊状态的量子光源，光源通过2米自由空间和20米光纤（其中5米缠绕在一个压电陶瓷上），步入干涉仪和彼此“对话”，最后的输出结果由100个超导纳面条单光子侦测器侦测量子通讯潘，最终有76个侦测器侦测到了光子。
“九章”实验装置示意图
干涉仪中发生的“对话”过程，让光子波在同时同地完美重合，使光子表现出精典世界不存在的量子干涉现象。
该研究的通信作者之一、中国科学技术学院院长陆朝阳说，假如把这个系统比喻成弹珠机，光子就是其中的弹珠，这种手链本身是有“分身术”的，并且两个完全相同的佛珠之间会有“鬼魅般的”相互作用，相遇的话一定会一起从同一个门跑出去。
本论文的第一作者均为80后，钟翰森（左图后座左5）为95年出生，王辉（下图后排左二）是91年出生，陈明城（下图后座左4）为90年，最小的是97年的邓宇皓（左图后座左1）。本图由受访者提供。
一个突破，多少技术革新？
在纽约学院院长史蒂夫·弗拉米亚（Steve）看来，这项实验最大的亮点是通过技术改进达到的实验规模（scale）。“看到这份论文的摘要时，我的第一个反应是这个实验的规模是无法置信的”，他在电邮中告诉《知识分子》。“50个压缩态步入100模式的干涉仪？简直不可思议！”
弗拉米亚在2005年夏季访问过潘建伟在南京的实验室，当时他和陆朝阳都还是中学生。他当时早已对陆朝阳表现下来的学术潜力印象深刻。“同学们都晓得陆朝阳将会作出特别优秀的工作。”
这次实验非一蹴而就。2017年，潘建伟、陆朝阳团队建立了世界首台赶超初期精典计算机的单光子量子计算机，2019年则实现了输入20个光子、探测14个光子的量子估算。“当时国际上基本上在做大约3到4个光子”，陆朝阳说，“我们2019年的这个工作早已让国际十分惊讶了。”
陆朝阳在量子光学实验室，摄影:H.-T.Guo，2020年8月
一年前，亚伦森觉得再突破很难，由于实验难度极大[3]。“看起来她们似乎碰到了10-20个光子的门槛。”他对《知识分子》说。
陆朝阳介绍，这次实验突破这一门槛的关键，不仅采用高速玻色取样这一新模型，还有多项重要技术革新。
首先，实验采用的量子光源是国际上惟一同时具备高效率、高全同性（指粒子具有完全相同的属性）、极高色温和大规模扩充能力的量子光源。
“（光源的）这种指标相互影响、此消彼长，要同时保证所有指标，如同是让很多只猫排排坐，要同时捉住它们。”陆朝阳说。
其次，“高精度锁相技术”将光源在自由空间和光纤中的光程晃动控制在25纳米之内。陆朝阳以奔跑的50匹马做比喻，他表示这相当于它们跑过100公里的距离，但偏离路线的偏差大于一根毛发丝的半径。
据悉，实验在干涉技术和单光子侦测技术上都做到了极高的精度。其中，中科院武汉微系统所专门为实验建造了一台高性能单光子侦测仪。
这项实验的传统估算验证和速率比较在国家并行计算机工程技术研究中心研发的“神威·太湖之光”超级计算机上完成。
未来属于谁：
超导量子估算还是光量子估算？
超导量子计算机和光子量子计算机，那个在估算能力上潜力更大？
“尽管此次的结果极好，我还是怀疑光子量子估算能够在远期和其他量子估算技术竞争。”弗拉米亚说。
通用量子计算机指的是可解决所有估算问题的计算机。“九章”目前还不能通用于玻色取样以外的其他估算，不具通用性。“遗憾的是，每位我们关心的估算问题都和这个玻色取样问题没有关系，”弗拉米亚说，“比如我们可能关心客车怎么选择最有效率的路线送货，或则关心如何样预测一个特定分子的性质以用于物理或医疗。研究人员觉得玻色取样不能帮助解决那些重要问题。”
他觉得，潘和陆的工作更有可能帮助构建量子通讯网路和量子互联网。
而亚伦森觉得，未来也许可以将九章改导致一个通用量子计算机，“谷歌采取的超导量子比特有通用的优势（假如有足够的量子比特且持续时间够长才能做任何运算），而估算玻色取样须要加入新的资源来获得通用性……我相信潘的团队早已充分意识到这一点而且正在努力。”
亚伦森说，与微软的实验相比，“九章”的优势在于它形成的状态空间（statespace）大得多，这是由于光子的振幅（）更多。状态空间指的是配置计算机系统的可能形式，量子计算机的状态空间越大，精典计算机要完成相同的估算就越难。[4]
微软“悬铃木”产生的状态空间约为10的16次方，而这次“九章”产生的状态空间约为10的30次方。
亚伦森还表示，因为光子比超导量子比特的相干时间（times）更长，一些科学家相信这些系统最终可能会比超导量子比特更好达到规模估算的目标。
距离应用还有多远？
量子估算由演示转向实际应用，仍需科学父母时间的努力。虽然是像微软“悬铃木”这样的通用量子计算机，也尚不能解决人们关心的实际问题。
弗拉米亚觉得，距离通用量子估算的实现还须要好多年。“我预测，在个别特殊的现实世界问题上，未来三年内似乎能有一些小进步，但我想那些问题吸引的主要还是科学家。”
“谷歌和潘建伟的实验，或其他量子模拟实验，提示了我们视线外隐藏着哪些，然而抵达哪里还有很长的路要走”，希拉克说，“但这种实验让我们对行路饱含豁达。”
“我们希望这个工作才能迸发更多的精典算法模拟方面的工作，也预计将来会有提高的空间”，陆朝阳说，“量子优越性实验并不是一个一蹴而就的工作，而是更快的精典算法和不断提高的量子估算硬件之间的竞争，但最终量子并行性会形成精典计算机难以企及的算力。”
陆朝阳觉得，如同人们对激光的认识，从最初实验室里的工具到许多意想不到的领域中的应用，量子计算机似乎会遵守相像的路径。
“在七年内，控制数百到数万个量子比特的技术将成为现实”，他说，“因此形成的量子模拟器和专用量子计算机或将成为化学学家、化学家和工程师在材料应用和抗生素设计方面的重要工具。”
参考资料：
[1]H.-S.Zhongetal.,10.1126/.(2020).
[2]Arute,F.,Arya,K.,,R.etal.usinga.574,505–510(2019).
[3]
[4]