量子计算机再次证明了自身的优越性

Chris Palmer

Senior Technology Writer

2020 年12 月，中国团队的九章全光子系统运行了200 s，据团队估计，这相当于一台超级计算机运行25 亿年[1]。这一成就标志着量子计算机进入了高速发展阶段。目前，虽然仍难以断言量子计算何时以及是否能实现预期能力，但多家公司在技术层面上积极竞争，以找寻问题的答案。

奥地利维也纳大学的量子计算小组组长及物理学教授Philip Walther说：“中国团队取得了惊人的成就。”

九章这一壮举再次验证了量子计算机的优越性，在特定任务处理上量子计算系统碾压了世界上最强的传统计算机。在九章问世一年多以前，谷歌才于2019年10月宣布了54-bit量子计算机Sycamore，首次证明了量子计算机的优越性。这台计算机基于超导金属线圈，采用了与传统计算机完全不同的构架。谷歌称Sycamore在3 min内能解决的问题，国际商业机器公司（IBM）的一台传统超级计算机需要花10 000 年才能解决[2]。然而IBM 工程师对这一成就嗤之以鼻，认为IBM 超级计算机在最优算法的帮助下数天内也能计算出相同结果[2]。

九章计算机由位于中国安徽合肥的中国科学技术大学的物理学教授潘建伟和陆朝阳领导团队研制而成，是一台玻色取样算法机器。2010 年美国马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的工程师Scott Aaronson和Aleksandr Arkhipov首次通过该设备展示了量子计算机的优越性[3]。九章的工作原理是，在一个约3 m2的光学台（图1）上，向一个由300个分束器和75个反射器组成的复杂路径发送光子，进行计算——这里的光子指玻色子而非费米子，即自旋量子数为整数的基础粒子。

图1.中国科学技术大学工程师团队在一个约3 m2大的光学台上用300个分束器和75个反射器制成了该光子设备，求解数学算法高斯玻色取样只需200 s。该团队估计，传统超级计算机需25亿年才能取得同样的结果。来源：中国科学技术大学（公开信息）。

在量子叠加态中，九章的复杂分束器网络可在两条光路同时输出光子，光路也可相互融合。依据量子力学规则，光路的分离与融合会在光子间产生干涉，探测器则负责捕捉通过台面设备输出通道的100个光子。经多次运行过程，得出各输出通道输出的光子数量分布，就像伽尔顿板实验得出的小球的正态分布[4]。九章可以直接测量这种分布，尤其是在光子和通道数量巨大时，传统计算机难以进行分布计算。研究人员可以通过排列分束器和反射器位置对九章进行“编程”，以解决特定搜索或取样问题。

2019 年，中国科学技术大学团队验证了14 个光子进行玻色取样的结果[5]，这样的结果利用普通笔记本电脑很难去计算，不过对于超级计算机还是很轻松的。现有设备200 s内每运算一次平均捕捉43个光子，其中有一次运算捕捉到了76 个光子。据团队估计，中国神威·太湖之光（China’s Sunway TaihuLight）超级计算机需要25 亿年才能计算出相同的分布[1]。

Walther说道：“他们用这样数量的光子提升了整个量子计算机的上限，足以证明传统计算机无法做到类似计算，也比谷歌Sycamore高出好几个数量级。”

虽然许多人崇拜九章背后的工程成就，但一部分研究人员并没有特别激动。美国俄克拉荷马州立大学的工程学教授及量子力学和密码学专家Subhash Kak 说道：“这个试验需要付出大量心血，精细度极高，但是我觉得这个试验主要还是为了炫耀自身。现在真正制成一台量子计算机是极为困难的。”

而且，与IBM 公开否认Sycamore 一样，一些研究人员也对九章量子优越性的言论抱有怀疑态度。美国南加利福尼亚大学的物理学副教授及量子计算研究人员Itay Hen说道：“从实验角度看，这确实是一个技术壮举，但是我认为九章并没有展现出量子计算的真正优势。我几乎可以保证，在不久的将来，有人会回过头对我说，‘看，因为你不断地试错和所做的底层假设，我们才能更快地进行传统运算。’”

对于九章玻色取样计算的有用性，Walther 承认九章是相当专业的，难以投入常规使用。他说：“对于光子，基于干涉的计算概念很简单。如果运用传统教科书式的算法进行计算，并用许多2-qubit 门操作，对于光子来说就太难了。”

加拿大多伦多的Xanadu 公司正开发一种更实用、更“普遍”的光量子计算机。这种量子计算机基于集成硅光元件运行，能安装在计算机上，而不是像九章一样的台面设备。Xanadu公司的最新芯片是大小为4 mm×10 mm的X8，实际上相当于一个8-qubit量子计算机[6]。发射进X8芯片的红外激光脉冲耦合输入微型共振器，以产生所谓的“挤压态”，该“挤压态”由数个光子叠加态构成。然后，光子从芯片输出到超导体探测器，由后者进行计数，最后得出量子计算的答案。

该公司工程师称其芯片是由传统半导体产业技术制造，方便集成到现有的纤维光学电信基础设施。该项技术可以将量子计算机组成一个“无法被黑客入侵”的量子网络，并已经得到了中国科学技术大学潘建伟团队的验证[7]。Xanadu 公司称其至2026 年可以将芯片规模化至100万量子位，其中大部分量子位将用于修正量子系统中的数据错误，而非进行数据处理[6]。

然而美国加利福尼亚帕洛阿尔托的PsiQuatum公司也在进行光子芯片研究，该公司已经筹集2.15亿美元用于制造一台自己的可编程光量子计算机[8]。该公司认为，在GlobalFoundries公司（世界半导体制造商领头羊之一，位于美国加利福尼亚圣克拉拉）的帮助下，2025 年以前该公司能制造出一台百万量子位计算机。

尽管利用超导循环和光子设备进行的量子计算都是以宣传其优越性而登上头条，但使用基于俘获离子和所谓的中性原子的量子计算构架的研究人员也取得了进展。由于这些系统中的量子位是一样的，这些系统比超导或半导量子位更能保证量子相干性，因此提升了在量子位退相干之前成功完成计算的概率。

美国马里兰大学学院公园分校的初创公司IonQ，在2021 年3 月举办的20 亿美元特殊目的收购公司（special purpose acquisition company, SPAC）交易中成功上市[9]。该公司使用激光设备读取磁场俘获镱离子的量子态。据IonQ 工程师最近报道，13 个物理量子位加密的逻辑量子位错误率只有0.3% [10]。2020 年8 月，IonQ 在亚马逊Braket 云平台上向大众公开了其11-qubit 计算机。短短三个月后，该公司就公布了32-qubit版本[11]。

总部在美国北卡罗来纳夏洛特的一家国际技术和制造集团霍尼韦尔（Honeywell），加入这一竞争。2021 年6月，公司宣布将旗下量子计算部门与英国剑桥量子计算公司进行合并。剑桥量子计算公司主要开发量子化学、量子机器学习、量子增强网络安全应用等[12]。数个月以前，在2021年3月，霍尼韦尔宣布其俘获离子量子计算机的量子体积达512[13]，系目前所有公司开发的量子计算机的最高值。量子体积是计算一个系统量子位数量和量子退相干次数的指标，不仅可以全面了解一个系统的计算规模，也能了解该系统在计算时的可靠性。

虽然研究中性原子计算的初创公司筹集资金较少，技术也相对欠发达，但是这些系统也展示了自身潜能。这些公司使用激光脉冲在真空管中俘获原子。然后其他激光设备激活原子最外层电子，并让电子远离原子核，由此将原子大小膨胀几十亿倍。一旦进入这个状态，原子就像离子一样运动，并与周围原子进行电磁互动，由此形成纠缠量子位用于计算。

法国Pasqal公司已经制作出200-qubit的中性原子处理器，计划于2021年下半年投入云端服务器设备[14]。该公司希望在2023 年前开发出1000-qubit 计算机[15]。美国科罗拉多博尔德新成立的Coldquanta公司也在主攻中性原子计算，计划于2021 年下半年发布100-qubit 设备，于2023年发布1000-qubit版本设备。

Walther说：“离子计算发展程度高，尤其在欧洲和美国，而中性原子计算也正在赶上来。我相信在不远的将来也能看到有关它们自身优越性的宣传。这是一场决定最优系统的公开赛，我很期待看到最后的胜者。”