陈思佳：中国量子计算到底有多领先，看看这个“桶”…
（文/观察者网 陈思佳 编辑/萧洋）
“比超级计算机快亿亿亿倍。”
近日，我国量子计算研究获重要进展，中国科学技术大学潘建伟团队在论文中介绍，经过一系列改进，光量子计算机“九章二号”处理特定问题的速度比超级计算机要快上亿亿亿倍，超导量子计算机“祖冲之二号”在量子随机线路采样问题上的计算速度，也比目前最快的超级计算机快一千万倍。
这意味着，我国成为了世界上唯一在两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。
11月5日，观察者网走访了中国科学技术大学上海研究院，实地探访了“祖冲之二号”超导量子计算机，还与多名深度参与“祖冲之二号”的科研人员聊起更多研发故事。
来自合作研发单位国盾量子的专家表示，相关计算机采用了新概念、新技术、新工艺，而取得了这一耀眼成果的团队也极为年轻。量子计算机论文作者中就不乏96年、97年出生的年轻研究员，最年轻的一位出生于99年，“团队大部分年龄是95后”。
国外同行对于这一系列成果也给予高度评价。加拿大卡尔加里大学量子科学与技术研究所主任巴里·桑德斯就表示，潘建伟团队取得的成果令人印象深刻，“两台实验性量子计算机解决迄今最复杂的问题，这意味着关于量子计算机能否实现量子优越性的争论已经结束。”
不过，专家也特意向我们提及，现在的量子计算机还只能用于解决特定问题，距离通用量子计算机还有很长距离，未来，中等规模量子计算机有望在特定领域得到应用。
此外，在大规模通用容错量子计算机最终实现之后，它将可以在化学反应计算、材料设计、药物合成、密码破译、大数据分析和机器学习、军事气象等领域产生颠覆性影响。
看起来平平无奇的“桶”
在中国科学技术大学上海研究院的实验室里，观察者网在现场看到了“祖冲之二号”超导量子计算机。在这个依靠巨大的支架“悬”在半空中、外观看起来平平无奇的“桶”里，就有着我国的超导量子计算机“祖冲之二号”。
据专家介绍，“桶”是提供接近绝对零度的极低温环境的制冷设备，整体的构造是为了尽可能减少“祖冲之二号”运行中的各种干扰。
“祖冲之二号”超导量子计算机设备
就在最近，我国的量子计算机研发工作又取得重大进展。中国科学技术大学潘建伟团队近期发表的两篇论文，就介绍了本文开头提及的研究成果。
一直以来，多国科学家都在探索基于多种不同物理体系的量子计算研究，比如光学体系、超导量子比特体系、离子阱体系、超冷原子体系……其中，光学体系被业内认为具备适合量子模拟等优势。
而在这一领域，潘建伟团队一直处于国际领先水平。
2017年，潘建伟团队构建了首台超越早期经典计算机的光量子计算原型机。2020年，潘建伟团队成功构建了76光子、100模式的高斯玻色采样量子计算原型机“九章”，使我国成为第二个实现量子计算优越性的国家。
但“九章”相对而言还存在一些弱项，《科技日报》曾介绍，“九章”总系统效率偏低，其中主要损耗之一来自光源。在当前的技术条件下，制备可编程、低损耗、足够大规模的光学干涉仪也存在巨大挑战，因此优先考虑低损耗、大规模的“九章”的光学仪器不可编程，应用场景受到限制。
与一年前的“九章”相比，潘建伟、陆朝阳等人组成的研究团队此次构建的“九章二号”，进行了一系列技术创新。
“九章二号”实验照片 图自中国科学技术大学
据专家介绍，研究人员在激光“受激辐射光放大”概念的启发下，设计并实现了受激双模量子压缩光源，显著提高了量子光源的产率、品质和收集效率。其次，通过三维集成和收集光路的紧凑设计，“九章二号”的多光子量子干涉线路增加到了144维度。
经过这一系列改进，“九章二号”探测到的光子数增加到了113个，输出态空间维度达到了10的43次方。通过动态调节压缩光的相位，研究人员还进一步实现了对高斯玻色取样矩阵的重新配置，演示了“九章二号”可用于求解不同参数数学问题的编程能力。
这使得“九章二号”在特定问题上的计算能力达到了超级计算机的亿亿亿倍。根据现有理论，“九章二号”处理高斯玻色采样的速度比目前最快的超级计算机还要再快10的24次方倍。
在超导量子计算领域，我国科研人员则实现了后来居上。据专家介绍，超导量子计算核心部件量子处理器基于类似于半体芯片的工艺技术制备，在大规模扩展上具有很大优势，同时其控制采用常规的电子学技术实现，容易实现编程操作。这同样是有希望实现最终的实用化的重要量子计算路线。
《科技日报》此前介绍，作为可拓展量子计算的候选途径之一，超导量子计算的核心目标是如何同步地增加集成的量子比特数目以及提升超导量子比特性能，从而能够高精度相干操作更多量子比特。
今年5月，潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队成功研制62量子比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并在此基础上实现可编程的二维量子行走。
此次研究团队在“祖冲之号”的基础上，又采用全新的倒装焊3D封装工艺，解决了大规模比特集成的问题，成功研制“祖冲之二号”，实现了66个数据比特、110个耦合比特、11路读取的高密度集成，最大态空间维度达到了10的19次方。
“祖冲之二号”还采用了可调耦合架构，实现了比特间耦合强度的快速、精确可调，显著提高了并行量子门操作的保真度。
“祖冲之二号”芯片示意图 图自中国科学技术大学
经过这一系列改进，“祖冲之二号”通过操控其上的56个量子比特，在随机线路采样任务上实现了量子计算优越性。这使得我国首次在超导量子计算领域达到量子计算优越性的里程碑，我国也成为目前世界上唯一在两种物理体系达到量子计算优越性的国家。
不仅如此，研究团队随后又对“祖冲之二号”进行了性能升级，通过操控其上的60个量子比特，完成的任务又提高了3个数量级，任务难度比2019年谷歌“悬铃木”高出百万倍。
这意味着根据目前已公开的最优经典算法，“祖冲之二号”在量子随机线路采样问题上的处理速度，比当前最快的超级计算机快一千万倍。
量子计算：在一些特定领域上相对经典计算有优势
早在上世纪80年代，就有科学家提出了将量子效应引入信息处理的构想，量子计算的概念开始出现在世人眼中。经过近四十年的理论和技术发展后，量子计算正逐渐从模糊的构想化为现实。
量子效应与日常世界存在很大差异。在经典计算中，信息由“比特”表示，具有“0”和“1”两种状态，通过“门”来操作比特、执行计算。但量子计算机中用到的“量子比特”则与经典比特完全不同。
量子计算利用量子力学基本特性计算，是一种完全不同于经典计算的计算模式。量子比特不仅可表示“0”或“1”两个状态，同时还能表示两个值任意权重的叠加。这意味着1个量子比特对应一个2维空间，N个量子比特对应的则是2的N次方维空间。
这些特点使得量子计算机具备了极强的并行计算能力，这种强大的运算能力也让量子计算机有可能完成部分经典计算机无法解决的任务。
国盾量子高级工程师杨威风博士就向观察者网表示，量子计算机的计算能力是一个指数级的加速，将来它的计算能力相对于经典计算机有质的提升。
国盾量子专家杨威风博士
另一位业内专家也告诉观察者网，由于量子计算机计算能力随着规模指数增长，在量子计算与经典计算的这场竞赛中，量子计算可以轻松保持优势。量子计算利用量子力学的基本特性进行计算，是一种完全不同于经典计算的计算模式。
“祖冲之二号”、谷歌“悬铃木”和超级计算机“富岳”完成随机线路采样问题时间对比 图自中科院量子计算云平台
不过专家同时指出，经典计算机的算力以及算法在不断发展，量子优越性演示不是一蹴而就的事，而是一个过程。“量子计算解决一个具体问题还需要有相应的量子算法，目前只在一些特定领域的问题上有高效的量子算法。因此量子计算只在一些特定领域的问题上相对经典计算有优势，并不能替代经典计算机。”
他表示，量子计算机的优势在于可通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面，获得比经典计算机更强的算力。大规模通用容错量子计算机可以在化学反应计算、材料设计、药物合成、密码破译、大数据分析和机器学习、军事气象等领域产生颠覆性影响。
“研制容错的通用量子计算，因其苛刻的容错阈值和大尺度的量子比特数目，离目前人类的科技发展水平尚有不小的差距。在容错的通用量子计算研制出之前，带噪声的中等规模量子计算机也有望在特定领域找到有实用价值的应用，预期应用包括量子机器学习、量子化学、量子近似优化等。”
对于量子计算机的研究，本领域的国际同行公认有三个指标性的发展阶段：
一是发展具备50到100个量子比特的高精度专用量子计算机，实现计算科学中的“量子计算优越性”里程碑；二是研制可相干操作数百个量子比特的量子模拟机，用于解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题；三是研制可编程的通用量子计算原型机。
如今，我国刚刚实现了在光量子计算和超导量子计算两个物理体系中达成第一个里程碑。
在其他技术路线方面，中国同样也没有放慢研究的步伐。杨威风表示，我国的光量子和超导量子计算现在都处于世界领先水平，而诸如离子阱、硅自旋等技术路线的研究同样在进行中。
业内专家也向观察者网透露，在超冷原子体系上，我国目前整体与欧美发达国家处于并跑状态，在规模化原子纠缠的制备与操纵，对自旋轨道耦合、超冷分子反应等的量子模拟方面取得了系列重要成果，为解决若干经典计算机难以胜任的复杂问题奠定了基础。
“没想到他们竟然会在一周里同时公布两个量子计算结果”
其实早在今年6月，“祖冲之二号”和“九章二号”的论文就已在预印本平台arXiv提前公开，这一系列成果也很快引起国际学术界、媒体和公众的广泛关注。有国际同行大赞潘建伟团队取得了令人印象深刻的进步。
美国知名科普杂志《科学美国人》7月就以“新的研究表明，中国在全球量子竞赛中取得领先”为题发文称，在2017年中国科学家从“墨子”号卫星发射纠缠光子、进行首次量子安全视频通话时，中国已在量子通信方面取得领先，而新的成果表示这种优势已经扩大到量子计算领域。
得克萨斯大学奥斯汀分校知名量子计算机科学家、高斯玻色采样的共同提出者斯科特·亚伦森（Scott Aaronson）也告诉该杂志，这是一个令人兴奋的成果，“我没想到他们竟然会在一周里同时公布两个量子计算结果。”
美国在量子计算机领域的发展也极为迅速。2016年，美国IBM公司就率先推出一台5量子比特的量子计算原型机。2019年，美国谷歌公司又宣布成功研制53个量子比特的超导量子计算机“悬铃木”（Sycamore），并完成了量子随机线路采样的快速解决，首次实现量子计算优越性的里程碑。
潘建伟团队取得的最新成就也随之引出了一个问题，“中国在量子信息技术上领先美国了吗？”
对此《科学美国人》自问自答地写道，这或许取决于如何衡量这个问题，尽管外界估计各有一定出入，但中美两国每年为量子计算研究提供的资金都超过1亿美元。美国在量子计算专利方面或许还有一定优势，但中国在量子技术的各个领域都有建树，而且还拥有世界上最先进的两台量子计算机。
美国物理研究所的科学政策分析师米奇·安布罗斯（Mitch Ambrose）评价称，“这是美国要面对的新问题，它在很多领域领先了很长时间，没有真正去思考过落后意味着什么。”
“新研究表明中国在全球量子竞赛中取得领先” 《科学美国人》7月报道截图
10月25日，潘建伟团队的两篇论文在《物理评论快报》发表时，加拿大卡尔加里大学量子科学与技术研究所主任巴里·桑德斯（Barry Sanders）也受邀在该报“观点”（viewpoint）栏目发表评论文章，称赞实验结果取得了“令人印象深刻的进步”。
桑德斯在文章中写道：“两台实验性量子计算机解决迄今最复杂的问题，这意味着关于量子计算机能否实现量子优越性的争论已经结束。”
而取得了这一系列耀眼成果的研究团队，则可以说是非常年轻。参与研发工作的专家告诉观察者网，例如“祖冲之二号”量子计算优越性论文的作者之一王梁媛为97年出生、洪林音是96年出生，最年轻的张一鸣则是99年出生，“团队大部分年龄是95后。”
为完成在两种物理体系实现量子计算优越性的目标，研发团队也是夜以继日地辛勤拼搏。杨威风表示，整个团队春节期间也几乎没有停下工作，“大年三十的时候，还有人在这里加班。”
他还提到，在研发过程中团队也有受到新冠疫情的影响，有一些成员只能通过线上办公参与工作，“有时候要经常召集大家开会，因为我们这个任务比较紧急，有时候开会可能都有到夜里，可能到十点、十一二点还在进行。”
距离真正的通用量子计算机还有多远？
目前的量子计算机还只能用于解决特定的问题，而距离最终研制“可编程的通用量子计算原型机”的发展阶段还有很长一段距离，需要好几道难关。
杨威风告诉观察者网，到通用量子计算现在基本上是分三大步来走。“第一步就是原理性的验证方面，这一块基本上我们现在都已经完成了。第二步就是我们面对这个量子纠错这一块，量子纠错这一块，大概在五年左右的时间来进行吧。最后一步就是实现容错量子计算，实现了这个目标，才能真正实现我们所谓的通用量子计算。”
另一位业内专家也表示，实现真正的通用量子计算机首先要攻克量子纠错这个难关，在实现量子纠错后需要解决大规模系统的集成和控制问题，最后还需要探索有实用价值的算法。
“量子计算机也面临着制造成本昂贵、维护难度大、技术门槛高等实际问题。目前量子计算优越性已得到实验性验证，只有产业界与学术界联手，吸引各方面的力量共同加入，才能推动量子计算进入到实用化优势探索新阶段。”
尽管距离通用量子计算还有很长的路要走，但国内外都已开始探索量子计算在现阶段的应用方式，其中最具代表性的就是“量子计算云平台”。据介绍，2016年，IBM公司就把全球第一台5比特量子计算连接到互联网，后续不断增加比特数量，谷歌、亚马逊、Xanadu等巨头都有开放这些云平台。
在国内，中科院量子信息和量子科技创新研究院2017年也上线了“量子计算云平台”，2018年接入了11比特超导量子计算原型机，一举成为接入比特数最多的量子计算云平台。2021年又升级接入12比特的真实超导量子计算机。
中科院量子计算云平台网站截图
专家表示，通过“云平台”，用户不需要自己搭建专业门槛较高的量子计算系统，就可以在真实的物理量子比特上验证想法或优化算法，“只有产业界、学术界，各个学科和领域的共同参与，不断探索应用落地，才能加速通用量子计算技术走向成熟。”
对此杨威风还向观察者网透露，中科院量子创新研究院的量子云平台未来计划上线一台 60 比特的量子计算机，可以供各界使用。“到时候大家有什么好的想法或算法，可以在上面运行一下。”
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