科技日报记者 吴长锋
近期，我国科学技能大学潘建伟、陆向阳等与中外科学家协作，在世界上初次完成了20光子输入60×60方式干与线路的玻色取样量子核算，输出了复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，其维数高达三百七十万亿。这个作业一起在光子数、方式数、核算复杂度和态空间这四个要害指标上都大幅逾越之前的世界记载，其间，态空间维数比世界同行之前的光量子核算试验高百亿倍。世界学术威望期刊《物理谈论快报》以“修改引荐”方式刊发了他们的研讨论文，美国物理学会Physics网站也以“玻色取样量子核算迫临里程碑”为题做了精选报导。
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显现“量子霸权”的两种途径
因为量子核算机在原理上具有超快的并行核算才能，在一些具有严重社会和经济价值的问题方面比较经典核算机完成指数等级的加快，其时已成为前沿科学的最大应战之一和世界各国比赛的焦点。
这傍边，量子核算研讨的第一个阶段性方针，是完成“量子核算优越性”（亦译为“量子霸权”），即研发出量子核算原型机在特定使命的求解方面逾越经典的超级核算机。
而运用超导量子比特完成随机线路取样和运用光子完成玻色取样，是现在世界学术界公认的演示量子核算优越性的两大途径。在第二种道路上，中科大团队一向坚持世界抢先。此次他们完成了20光子输入60×60方式干与线路的玻色取样量子核算，输出状况空间维数高达三百七十万亿，其复杂度相当于48个量子比特，迫临谷歌最近报导的53个超导量子比特。
事实上，量子核算机的研发是一个极具应战而且周期或许较长的作业。为了推进量子核算机的研发，咱们必定要把其分红一个个的小方针，不断逐次打破。其间的第一个小方针便是“量子优越性”(Quantum Supremacy)，指的是量子核算机在某个特定问题上的核算才能远超过功能最好的超算，证明量子核算机的优越性。因而，“量子优越性”被认为是量子核算展开道路上的一个重要里程碑。
上面说到的量子核算“特定使命”，是指经过精心设计，十分适合于量子核算设备发挥其核算潜力的问题。这类问题包括随机量子线路采样、IQP线路、玻色采样。而谷歌量子AI团队所针对的问题是随机量子线路采样。
面向这一战略方针，我国科大团队长时间致力于可扩展单光子源和玻色取样量子核算的研讨。2013年，他们在世界上创始量子点脉冲共振激起，处理了单光子源的确定性和高质量这两个基本问题；2016年， 产生了世界最高功率的全同单光子源，并在此基础上，于2017年开端使用于构建逾越前期经典核算才能的针对波色取样问题的光量子核算原型机，其取样速率比世界上其时的试验进步24000多倍。
2019年，我国科大研讨组在试验上一起处理了单光子源所存在的混合偏振和激光布景散射这两个终究的难题：成功研发出了确定性偏振、高纯度、高全同性和高功率的单光子源。
量子核算范畴的一个里程碑
此次，我国科大研讨组运用自主展开的世界最高功率和最高质量单光子源、规划最大和最高透过率的多通道光学干与仪，成功完成了20光子输入60×60方式（即：60个输进口，60层的线路深度，包括396个分束器和108个反射镜）干与线路的玻色取样试验。
这一成果与牛津大学、维也纳大学、法国国家科学院、布里斯托大学、昆士兰大学、罗马大学、麻省理工学院、马里兰大学等世界同行的相似作业比较，试验成功操作的单光子数增加了5倍，方式数增加了5倍，取样速率进步了6万倍，输出态空间维数进步了百亿倍。其间，因为多光子高方式特性，输出态空间达到了三百七十万亿维数，等效于48个量子比特打开的希尔伯特空间。
因而，试验初次将玻色取样推进到一个全新的区域：无法经过经典核算机直接全面验证该波色取样量子核算原型机，朝着演示量子核算优越性的科学方针迈出了要害的一步。
为什么随机量子线路经典核算机很难模仿？举个例子来，比方一个50比特的随机量子线路采样，终究输出的量子态的态空间的维度是250，假如运用经典核算机模仿，首先要存储如此高维度的量子态是极端困难的，其次，在如此高维的核算空间上，模仿每一层的量子核算操作，直至输出终究的核算成果，更是难上加难！
因而，审稿人指出：这个作业是“一个巨大的腾跃”、“更是通往完成量子核算优越性的绷簧跳板”。美国物理学会Physics网站 总结指出：“这在某种程度上预示着量子核算范畴的一个里程碑：挨近经典核算机不能模仿量子体系的境地。”
量子核算，未来可期
2019年10月23日，威望杂志《天然》刊出了谷歌量子AI团队的最新科研作业，在继续重金投入量子核算13年后，成功地用试验证明“量子优越性”。即在特定使命上，量子核算机能够大大逾越经典核算机的核算才能了。
论文报导了谷歌团队根据一个包括53个可用量子比特的可编程超导量子处理器，运转随机量子线路进行采样，耗时约200秒可进行100万次采样，而且估量假如运用现在最强超算Summit来核算得到相同的成果，需消耗约 1 万年。据此，谷歌声称完成了“量子霸权”。
实际上，“量子优越性”代表了两个方面的竞赛，一方面量子芯片的比特数和功能不断扩张，在某些问题上展现出极强的核算才能；另一方面，经典算法和模仿的工程化完成也能够不断优化，提高经典算法的功率和核算才能。所以，假如能够提高经典模仿的才能，那么谷歌的量子设备有或许就无法打败最强超算，然后“称雄”失利。
关于谷歌的“称雄”，IBM是第一个跳出来表明“不服”的。IB指出谷歌对随机量子线路的经典模仿优化得并不好，假如选用内存和硬盘混合存储计划，模仿53比特、20深度的量子随机线路采样，仅需2.5天。IBM还声称这只是他们保存的估量，可谓“一万年太久，只争朝夕”。
究竟，经典算法的展开以及超算上的工程化完成，还有提高空间。“量子优越性”自身也是经典核算和量子核算博弈和演进的进程。谷歌此次声称的“量子优越性”，意图只是是为了在试验上证明量子核算机的确有逾越现在最强超算的才能，这并不代表现已完成了实用化的量子核算机。“量子优越性”关于量子核算的展开，只是是一个开端。
本年9月份，在合肥举行的新式量子技能世界大会的白皮书指出，量子核算研讨能够沿如下道路展开：“第一个阶段是完成量子优越性，即针对特定问题的核算才能逾越经典超级核算机，这一阶段性方针将在近期完成；第二个阶段是完成具有使用价值的专用量子模仿体系；第三个阶段是完成可编程的通用量子核算机，还需要全世界学术界的长时间艰苦尽力。”
完成“量子霸权”绝不是结尾，而是一个起点。量子核算，未来可期。
来历：科技日报
修改：李俊霞
审阅：王小龙
