百萬分之一秒！最強(qiáng)光量子計(jì)算機(jī)“九章三號”為何能這么快？

出品：科普中國

作者：欒春陽（清華大學(xué)物理系）

監(jiān)制：中國科普博覽

2023年10月11日，國際知名物理學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》刊登了中國研究團(tuán)隊(duì)在光量子計(jì)算領(lǐng)域的最新研究成果。

來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院的潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等人組成的光量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)，與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心共同合作，成功構(gòu)建了255個光子的光量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號”，再次刷新了光量子計(jì)算機(jī)中可控光子數(shù)目的世界紀(jì)錄。

“九章三號”的《物理評論快報(bào)》期刊封面

（圖片來源：《物理評論快報(bào)》網(wǎng)站）

“九章三號”是在之前“九章”系列光量子計(jì)算原型機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展成熟而來的最新型號，代表了當(dāng)前光量子計(jì)算領(lǐng)域的最高技術(shù)水平。

研究結(jié)果表明，相較于之前僅有113個光子操縱能力的“九章二號”量子計(jì)算原型機(jī)，具有255個光子的“九章三號”在處理“高斯玻色采樣”這一特定的復(fù)雜問題上，運(yùn)算速度提升了大約一百萬倍。

因此，“九章三號”不僅提高了光量子計(jì)算機(jī)求解復(fù)雜問題的能力，還創(chuàng)造了量子計(jì)算優(yōu)越性的最新世界紀(jì)錄，為最終研制真正實(shí)用化的通用量子計(jì)算機(jī)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

量子計(jì)算概念圖

（圖片來源：veer圖庫）

那么，到底什么是光量子？光量子是如何參與到運(yùn)算中，來構(gòu)成光量子計(jì)算機(jī)？為何科學(xué)家們要特意選擇“高斯玻色采樣”這一復(fù)雜問題進(jìn)行運(yùn)算求解？目前的“九章”系列量子計(jì)算原型機(jī)，又離真正實(shí)用化的通用量子計(jì)算機(jī)還有多遠(yuǎn)呢？

既熟悉又陌生的“光量子”

光量子也稱為光子，能夠以光速來傳遞電磁相互作用，其最早在1905年由阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）提出，并且在1926年被美國科學(xué)家吉爾伯特·路易士（Gilbert Lewis）正式命名。

在我們身處的宏觀世界中，光是人們最熟悉的事物之一，并且已經(jīng)發(fā)展出幾何光學(xué)等成熟的物理學(xué)分支。在初中物理課堂上，我們學(xué)習(xí)到了光線的反射和折射現(xiàn)象，這體現(xiàn)了光具有類似于微小顆粒的粒子性；在高中物理課堂上，我們進(jìn)一步了解了光線還會發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象，這表明光是一種電磁波，因而也具有類似于聲波或者水波那樣的波動性。

也就是說，從我們所處的宏觀世界角度來看，光是由極其多數(shù)目的光子組成的整體，而這個整體既具有粒子性又具有波動性，也被稱為光的“波粒二象性”。

宏觀世界中的光線

（圖片來源：veer圖庫）

然而，從微觀世界的角度來看，每個光子既不像宏觀世界中的聲波或者水波那樣具有單純的波動性，也不像尺寸極小的原子或者分子那樣具有單純的粒子性，而是需要采用量子力學(xué)中的量子化來進(jìn)行描述。

量子化是指微觀世界中的物質(zhì)能量，總是只能以最小的能量單位（量子），來一份接一份地非連續(xù)性變化。對于光子而言，每個光子就是構(gòu)成宏觀世界中光線的最小單位，并且光線的能量也是由一份接一份的光子能量組成的。

微觀世界中光子的概念圖

（圖片來源：veer圖庫）

那為什么在我們所處的宏觀世界中，總是感覺光線是穩(wěn)定和連續(xù)的，而不是一份一份地變化呢？

這是因?yàn)椋總€光子的能量極其微小，大約是5×10^19。J。作為對比，我們普通智能手機(jī)上的閃光燈功率約為1W，這意味著，手機(jī)上的閃光燈僅僅在1秒內(nèi)就能發(fā)出大約2×10^18個光子。因此，在我們所處的宏觀世界中難以感受到光子的存在和變化。

光量子計(jì)算——潛力無限的未來科技

那么光量子又是如何參與到運(yùn)算中，來構(gòu)成光量子計(jì)算機(jī)的呢？這要從量子計(jì)算機(jī)說起。

現(xiàn)今生活中，我們所接觸到的電腦和計(jì)算器等電子設(shè)備，仍然屬于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的范疇。隨著經(jīng)典計(jì)算機(jī)的算力不斷接近摩爾定律的極限，只是單純增加經(jīng)典計(jì)算機(jī)的處理器數(shù)量，越來越難以適應(yīng)未來龐大的數(shù)據(jù)運(yùn)算需求。

而量子計(jì)算機(jī)不同于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，它采用量子力學(xué)理論中的并行計(jì)算特性，來擁有更加高效的運(yùn)算性能。

量子計(jì)算機(jī)采用量子比特作為基本運(yùn)算單元，每個量子比特可以處于0態(tài)和1態(tài)的疊加，而非像經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的只能處于0態(tài)或者1態(tài)的經(jīng)典比特。例如，每個量子比特能夠以概率P處于0態(tài)，同時以概率Q處于1態(tài)，只需要保持概率P和Q的總和為1即可。

光量子比特的編碼示意圖

（圖片來源：veer圖庫）

正是量子比特的獨(dú)特疊加性，量子計(jì)算機(jī)可以同時并行處理復(fù)雜的運(yùn)算問題。例如，對于具有N個量子比特的量子計(jì)算機(jī)而言，其可以同時并行處理2^N個數(shù)據(jù)，從而在某些特定的問題上展現(xiàn)出指數(shù)級別的超強(qiáng)算力。

因此，如何構(gòu)建出真正實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)這個問題，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，而光量子計(jì)算就是其中極具前景的研究領(lǐng)域之一。

光量子計(jì)算就是將量子比特的信息編碼到每個光子的自由度上。其中，光子的自由度包括偏振、角動量等。（在這里我們不必過于關(guān)注光子自由度更加細(xì)致的物理概念，只需要了解到，每個光子都可以通過特定的編碼方式，來構(gòu)造成為量子比特即可。）

在具體的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家還需要采用各種光學(xué)元件和精心設(shè)計(jì)的光路，來完成光量子比特之間的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算過程中的量子比特門的操作。然而，單個光子的能量過于微弱，這就導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)上很難獲取單個光子，同時也難以探測單個光子的微弱信號。

光學(xué)實(shí)驗(yàn)的示意圖

（圖片來源：veer圖庫）

因此，對于光量子計(jì)算方案而言，要想真正發(fā)揮出光量子計(jì)算機(jī)的超強(qiáng)算力，我們不僅僅要依次解決面臨的許多技術(shù)難題，還需要進(jìn)一步提升光量子比特的可操縱數(shù)目，從而為最終構(gòu)建出實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)做好技術(shù)儲備。

“九章”系列——屢創(chuàng)光量子計(jì)算的佳績

目前，有望實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)的方案主要包括：超導(dǎo)量子計(jì)算、離子阱量子計(jì)算、光量子計(jì)算等等。

其中，光量子計(jì)算機(jī)具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢。首先，光量子計(jì)算機(jī)在室溫下就可以正常工作，可以避免低溫環(huán)境的要求；其次，光子很難與環(huán)境中的噪聲發(fā)生相互作用，因而具有良好的抗噪性；最后，隨著光學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷提升，未來有望實(shí)現(xiàn)更加緊湊和小型化的光量子計(jì)算系統(tǒng)。

來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)一直專注于光量子計(jì)算系統(tǒng)，不斷提升光量子計(jì)算方案的整體性能。其中，他們選用高斯玻色采樣這一特定復(fù)雜問題，來驗(yàn)證光量子計(jì)算的量子優(yōu)越性。（在這里，我們不需要特意深入研究高斯玻色采樣，只需要知道這個特定問題特別適用于光量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行并行加速的量子運(yùn)算。）

早在2020年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的光量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)，就成功研發(fā)了具有76個光子的“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)。研究結(jié)果表明，“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)在處理高斯玻色采樣的特定問題上，比當(dāng)時世界上最快的經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)“富岳（Fugaku）”快一百萬億倍，在國際上首次在光量子計(jì)算領(lǐng)域中驗(yàn)證了量子優(yōu)越性。

“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)的實(shí)驗(yàn)裝置圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[4]）

而在隨后的2021年，該團(tuán)隊(duì)在“九章”原型機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其提升至具有113個光子的“九章二號”光量子計(jì)算機(jī)。針對高斯玻色采樣這一特定問題，“九章二號”的運(yùn)算處理速度比“九章”快接近一百億倍。相較于當(dāng)年世界上最強(qiáng)的經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)，“九章二號”的運(yùn)算速度快接近一億億億（10的24次方）倍，從而進(jìn)一步鞏固了光量子計(jì)算領(lǐng)域的量子優(yōu)越性。

“九章二號”光量子計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)照片

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]）

而最新的“九章三號”光量子計(jì)算機(jī)具有255個光子的操縱能力，其在高斯玻色采樣這一特定復(fù)雜問題的求解上，比上一代“九章二號”提升了接近一百萬倍。

研究結(jié)果表明，“九章三號”在百萬分之一秒內(nèi)就處理完成的復(fù)雜運(yùn)算問題，如果采用當(dāng)前最強(qiáng)的經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)“前沿（Frontier）”，則需要花費(fèi)超過二百億年的時間。這一突破性的成果不僅僅再次明確了量子計(jì)算的優(yōu)越性，還進(jìn)一步鞏固了我國研究團(tuán)隊(duì)在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。

“九章三號”光量子計(jì)算機(jī)的光路設(shè)計(jì)圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[6]）

結(jié)語

綜上所述，來自中國的光量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)一直專注于提升光量子計(jì)算的整體性能，并且在驗(yàn)證量子優(yōu)越性這一前沿課題上，不斷創(chuàng)造出令人矚目的佳績。從“九章”到“九章二號”再到“九章三號”的不斷突破，表明光量子技術(shù)原型機(jī)在某些特定的復(fù)雜問題求解上，具備經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以企及的強(qiáng)大算力。

最近二十多年，世界上光量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)的可控光子數(shù)記錄

（圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子物理與量子信息研究部）

但是，我們也需要清醒地認(rèn)識到，驗(yàn)證量子優(yōu)越性是一件長期且復(fù)雜的前沿課題，需要科學(xué)家們不斷探索并且解決各種核心技術(shù)難題，我們還需要朝著未來真正實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)不斷邁進(jìn)。而我們也堅(jiān)信，在不久的將來，量子計(jì)算的夢想一定會照亮我們的現(xiàn)實(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1] 九章一號：Han-Sen Zhong et al. ,Quantum computational advantage using photons.Science370,1460-1463(2020).DOI:10.1126/science.abe8770

[2] 九章二號：Zhong, Han-Sen et al, Phase-Programmable Gaussian Boson Sampling Using Stimulated Squeezed Light[J]. Phys. Rev. Lett, 2021,127, 180502.

[3] 九章三號：Deng, Yu-Hao et al, Gaussian Boson Sampling with Pseudo-Photon-Number-Resolving Detectors and Quantum Computational Advantage[J]. Phys. Rev. Lett, 2023, 131, 150601.

[4] Zhong H S, Wang H, Deng Y H, et al. Quantum computational advantage using photons[J]. Science, 2020, 370(6523): 1460-1463.

[5] Zhong H S, Deng Y H, Qin J, et al. Phase-programmable gaussian boson sampling using stimulated squeezed light[J]. Physical review letters, 2021, 127(18): 180502.

[6] Deng, Yu-Hao et al, Gaussian Boson Sampling with Pseudo-Photon-Number-Resolving Detectors and Quantum Computational Advantage.[J]. PhysRevLett, 2023, 131.150601.