量子計算機再次證明了自身的優越性

Chris Palmer

Senior Technology Writer

2020 年12 月，中國團隊的九章全光子系統運行了200 s，據團隊估計，這相當于一臺超級計算機運行25 億年[1]。這一成就標志著量子計算機進入了高速發展階段。目前，雖然仍難以斷言量子計算何時以及是否能實現預期能力，但多家公司在技術層面上積極競爭，以找尋問題的答案。

奧地利維也納大學的量子計算小組組長及物理學教授Philip Walther說：“中國團隊取得了驚人的成就?！?/p>

九章這一壯舉再次驗證了量子計算機的優越性，在特定任務處理上量子計算系統碾壓了世界上最強的傳統計算機。在九章問世一年多以前，谷歌才于2019年10月宣布了54-bit量子計算機Sycamore，首次證明了量子計算機的優越性。這臺計算機基于超導金屬線圈，采用了與傳統計算機完全不同的構架。谷歌稱Sycamore在3 min內能解決的問題，國際商業機器公司（IBM）的一臺傳統超級計算機需要花10 000 年才能解決[2]。然而IBM 工程師對這一成就嗤之以鼻，認為IBM 超級計算機在最優算法的幫助下數天內也能計算出相同結果[2]。

九章計算機由位于中國安徽合肥的中國科學技術大學的物理學教授潘建偉和陸朝陽領導團隊研制而成，是一臺玻色取樣算法機器。2010 年美國馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學院的工程師Scott Aaronson和Aleksandr Arkhipov首次通過該設備展示了量子計算機的優越性[3]。九章的工作原理是，在一個約3 m2的光學臺（圖1）上，向一個由300個分束器和75個反射器組成的復雜路徑發送光子，進行計算——這里的光子指玻色子而非費米子，即自旋量子數為整數的基礎粒子。

圖1.中國科學技術大學工程師團隊在一個約3 m2大的光學臺上用300個分束器和75個反射器制成了該光子設備，求解數學算法高斯玻色取樣只需200 s。該團隊估計，傳統超級計算機需25億年才能取得同樣的結果。來源：中國科學技術大學（公開信息）。

在量子疊加態中，九章的復雜分束器網絡可在兩條光路同時輸出光子，光路也可相互融合。依據量子力學規則，光路的分離與融合會在光子間產生干涉，探測器則負責捕捉通過臺面設備輸出通道的100個光子。經多次運行過程，得出各輸出通道輸出的光子數量分布，就像伽爾頓板實驗得出的小球的正態分布[4]。九章可以直接測量這種分布，尤其是在光子和通道數量巨大時，傳統計算機難以進行分布計算。研究人員可以通過排列分束器和反射器位置對九章進行“編程”，以解決特定搜索或取樣問題。

2019 年，中國科學技術大學團隊驗證了14 個光子進行玻色取樣的結果[5]，這樣的結果利用普通筆記本電腦很難去計算，不過對于超級計算機還是很輕松的?，F有設備200 s內每運算一次平均捕捉43個光子，其中有一次運算捕捉到了76 個光子。據團隊估計，中國神威·太湖之光（China’s Sunway TaihuLight）超級計算機需要25 億年才能計算出相同的分布[1]。

Walther說道：“他們用這樣數量的光子提升了整個量子計算機的上限，足以證明傳統計算機無法做到類似計算，也比谷歌Sycamore高出好幾個數量級?！?/p>

雖然許多人崇拜九章背后的工程成就，但一部分研究人員并沒有特別激動。美國俄克拉荷馬州立大學的工程學教授及量子力學和密碼學專家Subhash Kak 說道：“這個試驗需要付出大量心血，精細度極高，但是我覺得這個試驗主要還是為了炫耀自身?，F在真正制成一臺量子計算機是極為困難的?！?/p>

而且，與IBM 公開否認Sycamore 一樣，一些研究人員也對九章量子優越性的言論抱有懷疑態度。美國南加利福尼亞大學的物理學副教授及量子計算研究人員Itay Hen說道：“從實驗角度看，這確實是一個技術壯舉，但是我認為九章并沒有展現出量子計算的真正優勢。我幾乎可以保證，在不久的將來，有人會回過頭對我說，‘看，因為你不斷地試錯和所做的底層假設，我們才能更快地進行傳統運算?！?/p>

對于九章玻色取樣計算的有用性，Walther 承認九章是相當專業的，難以投入常規使用。他說：“對于光子，基于干涉的計算概念很簡單。如果運用傳統教科書式的算法進行計算，并用許多2-qubit 門操作，對于光子來說就太難了?！?/p>

加拿大多倫多的Xanadu 公司正開發一種更實用、更“普遍”的光量子計算機。這種量子計算機基于集成硅光元件運行，能安裝在計算機上，而不是像九章一樣的臺面設備。Xanadu公司的最新芯片是大小為4 mm×10 mm的X8，實際上相當于一個8-qubit量子計算機[6]。發射進X8芯片的紅外激光脈沖耦合輸入微型共振器，以產生所謂的“擠壓態”，該“擠壓態”由數個光子疊加態構成。然后，光子從芯片輸出到超導體探測器，由后者進行計數，最后得出量子計算的答案。

該公司工程師稱其芯片是由傳統半導體產業技術制造，方便集成到現有的纖維光學電信基礎設施。該項技術可以將量子計算機組成一個“無法被黑客入侵”的量子網絡，并已經得到了中國科學技術大學潘建偉團隊的驗證[7]。Xanadu 公司稱其至2026 年可以將芯片規?；?00萬量子位，其中大部分量子位將用于修正量子系統中的數據錯誤，而非進行數據處理[6]。

然而美國加利福尼亞帕洛阿爾托的PsiQuatum公司也在進行光子芯片研究，該公司已經籌集2.15億美元用于制造一臺自己的可編程光量子計算機[8]。該公司認為，在GlobalFoundries公司（世界半導體制造商領頭羊之一，位于美國加利福尼亞圣克拉拉）的幫助下，2025 年以前該公司能制造出一臺百萬量子位計算機。

盡管利用超導循環和光子設備進行的量子計算都是以宣傳其優越性而登上頭條，但使用基于俘獲離子和所謂的中性原子的量子計算構架的研究人員也取得了進展。由于這些系統中的量子位是一樣的，這些系統比超導或半導量子位更能保證量子相干性，因此提升了在量子位退相干之前成功完成計算的概率。

美國馬里蘭大學學院公園分校的初創公司IonQ，在2021 年3 月舉辦的20 億美元特殊目的收購公司（special purpose acquisition company, SPAC）交易中成功上市[9]。該公司使用激光設備讀取磁場俘獲鐿離子的量子態。據IonQ 工程師最近報道，13 個物理量子位加密的邏輯量子位錯誤率只有0.3% [10]。2020 年8 月，IonQ 在亞馬遜Braket 云平臺上向大眾公開了其11-qubit 計算機。短短三個月后，該公司就公布了32-qubit版本[11]。

總部在美國北卡羅來納夏洛特的一家國際技術和制造集團霍尼韋爾（Honeywell），加入這一競爭。2021 年6月，公司宣布將旗下量子計算部門與英國劍橋量子計算公司進行合并。劍橋量子計算公司主要開發量子化學、量子機器學習、量子增強網絡安全應用等[12]。數個月以前，在2021年3月，霍尼韋爾宣布其俘獲離子量子計算機的量子體積達512[13]，系目前所有公司開發的量子計算機的最高值。量子體積是計算一個系統量子位數量和量子退相干次數的指標，不僅可以全面了解一個系統的計算規模，也能了解該系統在計算時的可靠性。

雖然研究中性原子計算的初創公司籌集資金較少，技術也相對欠發達，但是這些系統也展示了自身潛能。這些公司使用激光脈沖在真空管中俘獲原子。然后其他激光設備激活原子最外層電子，并讓電子遠離原子核，由此將原子大小膨脹幾十億倍。一旦進入這個狀態，原子就像離子一樣運動，并與周圍原子進行電磁互動，由此形成糾纏量子位用于計算。

法國Pasqal公司已經制作出200-qubit的中性原子處理器，計劃于2021年下半年投入云端服務器設備[14]。該公司希望在2023 年前開發出1000-qubit 計算機[15]。美國科羅拉多博爾德新成立的Coldquanta公司也在主攻中性原子計算，計劃于2021 年下半年發布100-qubit 設備，于2023年發布1000-qubit版本設備。

Walther說：“離子計算發展程度高，尤其在歐洲和美國，而中性原子計算也正在趕上來。我相信在不遠的將來也能看到有關它們自身優越性的宣傳。這是一場決定最優系統的公開賽，我很期待看到最后的勝者?！?/p>