“九章”量子计算原型机

文/林 梅 摄影/马潇汉

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中国科学院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作,构建了76个光子的量子计算原型机“九章”,实现了具有实用前景的“高斯玻色采样”任务的快速求解。

计算机模拟现实
在气象工程师白冰被追捕的路上,他认识了同样被追捕的宋诚。白冰神秘地拿出一只箱子,说:“这是一台超弦计算机,是我从气象模拟中心带出来的,你说偷出来的也行,我全凭它摆脱追捕了。”
这个情节来自科幻作家刘慈欣的小说《镜子》。白冰偷出来的这台机器是一台拥有了几乎无限运算和存储能力的计算机,它不仅能模拟气象这种复杂过程,还可以模拟整个宇宙的演化。只要给定粒子的初始条件,整个宇宙的运行就像镜中世界一样被清楚地展现,准确无误。
现实的物理系统究竟能不能被计算机模拟?这种猜想绝不仅限于科幻作家的小说中,也存在于严肃的学术讨论和哲学思考里。比如,计算机领域中非常著名的扩展的丘奇-图灵论题就认为,任何物理系统都可以被经典图灵机有效模拟。
但是,随着人们对微观世界的深入理解,扩展的丘奇-图灵论题开始被质疑,尤其是随着量子力学的发展,更多人意识到,实际的量子过程太过复杂,如果用经典计算模拟量子过程,需要的时间可能会呈指数增长。也就是说,有效计算是不可能的。
20世纪80年代,美国物理学家费曼提出,模拟量子过程必须放弃经典计算的老套路,用量子材料制造一台新式机器,来自然地解决这些问题。没错,就是量子计算机。

经典计算和量子计算
对于经典计算机来说,每个比特要么代表0,要么代表1,这些比特就是信息。对这些信息进行运算,实际上就是用电路构建一些逻辑门,完成“与”“非”“或”以及更复杂的操作。量子计算则是利用量子天然具备的叠加性,施展并行计算的能力。每个量子比特不仅可以表示0或1,还可以表示成0和1分别乘以一个系数再叠加,随着系数的不同,这个叠加的形式的可能性会有很多很多。它会产生什么效果呢?
我们以两个比特举例,对于经典的两比特来说,在某一时刻,它最多只能表示00、10、01、11这四种可能性的一种;而量子计算由于叠加性,它可以同时蕴含4种信息状态。这种叠加性意味着,随着比特数增加,信息的存储量和运行速度会呈指数增加,经典计算机将望尘莫及。

量子计算优越性
基于量子的叠加性,许多量子科学家认为,量子计算机在特定任务上的计算能力将会远超任何一台经典计算机。2012年,美国物理学家约翰·普瑞斯基尔将其描述为“量子计算优越性”或“量子霸权”。科学家预计,当可以精确操纵的量子比特超过一定数目时,量子计算优越性就可能实现。
如果有一个特定的问题,量子计算需要一小时,经典计算需要上亿年,量子计算优越性便得以实现,扩展的丘奇-图灵论题也会被动摇,因为那就证明了经典计算是无法有效模拟某些过程的。
从科学家对量子计算优越性的观点来看,有两个关键点:一是操纵的量子比特的数量,二是操纵的量子比特的精准度。只有当两个条件都满足的时候,才能实现量子计算的优越性。

玻色采样任务
在用来展示量子计算优越性的特定任务中,有一种被科学家寄予厚望的任务——玻色采样。
玻色采样是一种采样任务,如下图所示,若干个光子进入网格之后,经过分束器组成的干涉仪,最终分别在哪些出口被探测到,记录下来,就是一个采样。积累之后,光子数也会有一个分布。每一种采样结果都对应一个概率。全部可能的采样结果就构成输出态的态空间。
玻色采样问题非常复杂。因为这个网格的每个节点都是一个小分束器,如果相遇在这个节点上的光子是全同的,那么几个光子接下来怎么走,不仅仅是一个“随机”的概率问题,还是个“复杂”的概率问题——这个概率与分束器的参数有关,也与光子本身的相位有关。随着光子数的增加,求解步数呈指数增长。对于这样的问题,量子计算机在中小规模下就有可能打败超级计算机。自此,“玻色采样”问题被用来挑战量子计算优越性。
自玻色采样问题被提出后,世界上陆续有多个研究小组从实验上挑战和验证玻色采样。2013年,国际上4个研究小组同时实现了3光子的原理验证性玻色采样。2017年,中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳团队采用一种共振激发的量子点光源(能产生确定性的高品质单光子),并自主设计研发了高效率的线性光学网络。利用这种装备,他们在实验上首次实现了5光子玻色采样。这次实验的采样率是之前同类实验的至少24 000倍,相比于早期的经典计算机埃尼阿克和崔迪克,计算能力具有10~100倍的提升。2019年,该团队又将这种方案向前推进一步——他们将20个光子输入60个入口、60个出口模式的干涉线路,实验中,出口最多探测到了14个光子。这个工作同时在光子数、模式数、计算复杂度和态空间4个关键指标上都大幅超越之前的世界纪录。
“九章”横空出世
但是,玻色采样实验中的低效率始终是量子计算可扩展的拦路虎。2017年,由汉密尔顿等人提出的高斯玻色采样方案提供了很好的解决办法。高斯玻色采样充分利用自发参量下转换光源的高斯性质,并利用可以确定性制备的单模压缩态作为输入的非经典光源。
区别于单光子光源“一个一个”走出来的状态,单模压缩态光源可以被看作是“一团一团”走出来的。每激发一次,可以产生很多对相干的光子,一起进入干涉网络。足够高的效率,为量子比特的扩展提供了可能。
2020年,潘建伟、陆朝阳团队就采用压缩态光源,实现了这种尝试。他们利用50个单模压缩态光源,输入一个100个入口、100个出口的线性光学网络,最后在网格出口处安置了单光子探测器来采样。得益于团队此前在玻色采样方面的积累,他们的技术在各个指标上都具有显著的优势。光源方面,他们拥有国际上唯一同时具备高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源,而且该团队还具有最大规模(100×100)的干涉技术,并能同时做到全连通、随机矩阵、相位稳定、波包重合好(>99.5%)、通过率高(>98%)。此外,中国科学院上海微系统与信息技术研究所等研制的高性能超导单光子探测器也扮演了重要角色。
在最终的采样结果里,该团队成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色采样量子计算原型机,科学家给它起名叫“九章”。
之所以将这台新量子计算机命名为“九章”,是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。《九章算术》是中国古代张苍、耿寿昌所撰写的一部数学专著,它的出现标志中国古代数学形成了完整的体系,是一部具有里程碑意义的著作。而这台叫作“九章”的玻色采样新机器,同样具有重要的里程碑意义。
根据现有理论,该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快100万亿倍(“九章”1分钟完成的任务,超级计算机需要大约1亿年才能完成)。2019年,谷歌发布了包含53个量子比特的芯片的量子计算原型机“悬铃木”,尽管“九章”与“悬铃木”在物理体系和所处理问题上都不相同,但如果与目前最快的超级计算机进行等效比较,“九章”的速度要比“悬铃木”快100亿倍。这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑:量子计算优越性。
“九章”的出色表现,牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位,为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。

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