|
來(lái)源：澎湃新聞 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)宣布將50全同單模壓縮態(tài)輸入100模式超低損耗干涉線路，利用100個(gè)高效單光子探測(cè)器進(jìn)行高斯玻色采樣，輸出態(tài)空間維度達(dá)到了10的30次方，采樣速率比最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)要快上10的14次方（百萬(wàn)億）倍。 這個(gè)光量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)達(dá)到了加州理工學(xué)院教授普雷斯基爾（John Preskill）在2012年提出的“量子霸權(quán)”（Quantum supremacy）概念，亦稱為“量子優(yōu)越性”（Quamtum advantage），即量子計(jì)算機(jī)在特定問(wèn)題上超越世界上性能最好的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。 相關(guān)論文題為《基于光子的量子計(jì)算優(yōu)越性》（Quantum computational advantage using photons），于北京時(shí)間12月4日03：00發(fā)表在世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上。 事實(shí)上，中科院院士潘建偉早在9月份的西湖大學(xué)公開(kāi)課演講上就曾“劇透”過(guò)這一成果。他當(dāng)時(shí)表示：“近期已經(jīng)完成50個(gè)光子的高斯玻色采樣，按照現(xiàn)在的初步估計(jì)和數(shù)據(jù)分析，應(yīng)該能夠比谷歌的量子優(yōu)越性大概快100萬(wàn)倍。” 世界上首個(gè)宣布實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的是美國(guó)谷歌公司。2019年， 2019年，谷歌使用了53個(gè)超導(dǎo)量子比特制作了一臺(tái)名為Sycamore的處理器，運(yùn)行隨機(jī)量子線路進(jìn)行采樣，耗時(shí)約200秒可進(jìn)行100萬(wàn)次采樣。而最強(qiáng)超算、 美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Summit計(jì)算機(jī)得到同樣結(jié)果需要花上一年，差距約十億（10的9次方）倍。 當(dāng)然，潘建偉團(tuán)隊(duì)的光量子計(jì)算機(jī)和谷歌的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)路徑不同，任務(wù)也各有所長(zhǎng)。玻色采樣和隨機(jī)路線采樣分別是兩者最擅長(zhǎng)的問(wèn)題，而且目前還不具備實(shí)際應(yīng)用意義。 可以說(shuō)，量子優(yōu)越性是以量子計(jì)算機(jī)之長(zhǎng)，比超算之短的“表演賽”，并不意味著經(jīng)典計(jì)算機(jī)就要被淘汰了。不過(guò)，量子優(yōu)越性確實(shí)是關(guān)鍵的里程碑，為未來(lái)量子計(jì)算機(jī)走向?qū)嵱眯詥?wèn)題奠定基礎(chǔ)。 實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性也需許多理論與工程難題，相關(guān)知識(shí)技術(shù)更是具備豐富的潛在價(jià)值。那么，玻色采樣究竟是一個(gè)怎樣的問(wèn)題？潘建偉團(tuán)隊(duì)如何取得了此次突破？ 什么是玻色采樣？ 我們知道，在設(shè)計(jì)建筑、飛機(jī)的時(shí)候，工程師們需要用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行各種計(jì)算和模擬。而如果我們要研究的是微觀世界的“量子建筑”呢？ 其中微觀粒子復(fù)雜的變化和相互作用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力范圍。最好，是用量子的方式來(lái)模擬量子問(wèn)題。 這就是著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在1980年代提出的量子計(jì)算機(jī)構(gòu)想：“自然不是經(jīng)典的，如果你想對(duì)自然進(jìn)行模擬，那么你最好把計(jì)算機(jī)給量子化。” 大家普遍認(rèn)為，玻色采樣就是這樣一個(gè)適于量子計(jì)算機(jī)發(fā)揮的任務(wù)。它是將非經(jīng)典光輸入線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)后，用單光子探測(cè)器來(lái)探測(cè)輸出光子的數(shù)量、路徑和糾纏態(tài)，其結(jié)果是高度隨機(jī)的。 我們可以借助研究隨機(jī)分布的“高爾頓釘板”實(shí)驗(yàn)來(lái)理解玻色采樣。 一顆直徑略小于兩顆釘子間距的小圓球在釘板上向下滾落，碰到釘子后皆以1/2的概率向左或向右滾下，接著又碰到下一層釘子。如此繼續(xù)下去，直到從底板的一個(gè)出口滾出為止。把許多同樣的小球不斷從入口處放下，只要球的數(shù)目相當(dāng)大，它們?cè)诘装鍖⒍殉山朴谡龖B(tài)的密度函數(shù)圖形，即中間高，兩頭低，呈左右對(duì)稱的古鐘型。 而在玻色采樣問(wèn)題上，全同光子就是小球，分束器就是釘子，線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)就是釘板。當(dāng)一束光通過(guò)分束器時(shí)會(huì)被分成兩束強(qiáng)度較低的光，一束透射，另一束反射。計(jì)算在n個(gè)全同玻色子經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)后，特定一種輸出結(jié)果的概率（例如輸入3個(gè)光子后，分別在1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)“出口”輸出），就是玻色采樣問(wèn)題。 科學(xué)家們計(jì)算后認(rèn)為，該問(wèn)題的經(jīng)典最優(yōu)解法隨著光子數(shù)的增加求解步數(shù)呈指數(shù)上漲。光量子計(jì)算機(jī)在中小規(guī)模下就可以打敗超級(jí)計(jì)算機(jī)。 那么，谷歌超導(dǎo)量子計(jì)算所進(jìn)行的隨機(jī)線路采樣也是一個(gè)能充分展現(xiàn)量子優(yōu)越性的問(wèn)題，光子玻色采樣相較之下有何特別？ 潘建偉團(tuán)隊(duì)論文引述了一種觀點(diǎn)，即改進(jìn)經(jīng)典算法后，超算只需要數(shù)天就能像Sycamore一樣進(jìn)行100萬(wàn)次隨機(jī)線路采樣。這樣的話，如果樣本數(shù)量足夠大，比如到了10的10次方的話，入股有足夠的存儲(chǔ)空間，量子優(yōu)勢(shì)將被逆轉(zhuǎn)。 而光量子計(jì)算機(jī)在玻色采樣上就不存在這種依賴于樣本大小的漏洞，因?yàn)榻?jīng)典算法針對(duì)玻色采樣存在一個(gè)固定的限制。除此之外，光子進(jìn)行玻色采樣可以在室溫下工作，不容易受到干擾。 攻克的關(guān)卡 根據(jù)實(shí)際需要，玻色取樣逐漸衍生出了各種變體。潘建偉團(tuán)隊(duì)此次采用了一種高斯玻色采樣變體，它在一些圖形問(wèn)題和量子化學(xué)領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用。高斯玻色采樣使用所有處于壓縮態(tài)的光子，且允許使用更高的抽運(yùn)功率，使得其同樣在事件發(fā)生率上具有指數(shù)優(yōu)勢(shì)。 盡管這是一個(gè)為光量子計(jì)算機(jī)量身定制的挑戰(zhàn)，如何將玻色采樣的規(guī)模放大到一個(gè)計(jì)算上有意義的區(qū)間仍有許多挑戰(zhàn)。 論文提到了研究團(tuán)隊(duì)需要攻克的五大“關(guān)卡”： 首先，它需要單模壓縮態(tài)同時(shí)具備足夠高的壓縮參數(shù)、光子全同性和采集效率； 其次，它需要大型干涉儀同時(shí)具備完全連通性、矩陣隨機(jī)性、近似完美波包重疊和相位穩(wěn)定，以及近統(tǒng)一傳輸速率； 第三，它需要對(duì)單模壓縮態(tài)中的所有光子數(shù)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)相位控制； 第四，它需要高效探測(cè)器采集輸出分布； 最后，從巨大的輸出態(tài)空間獲得的稀少樣本需要被驗(yàn)證，并且表現(xiàn)要與超級(jí)計(jì)算機(jī)形成比較。 為此，潘建偉光量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)已經(jīng)進(jìn)行了多年的“打怪升級(jí)”。2013年，他們?cè)趪?guó)際上首創(chuàng)量子點(diǎn)脈沖共振激發(fā)，解決了單光子源的確定性和高品質(zhì)這兩個(gè)基本問(wèn)題；2016年， 產(chǎn)生了國(guó)際最高效率的全同單光子源，并于2017年初步應(yīng)用于構(gòu)建超越早期經(jīng)典計(jì)算能力的針對(duì)波色取樣問(wèn)題的光量子計(jì)算原型機(jī)，其取樣速率比國(guó)際上當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)提高24000多倍。 2019年，中國(guó)科大研究組在實(shí)驗(yàn)上同時(shí)解決了單光子源所存在的混合偏振和激光背景散射這兩個(gè)最后的難題：成功研制出了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源。在此基礎(chǔ)上，他們?cè)趪?guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計(jì)算，輸出態(tài)空間維數(shù)比國(guó)際同行之前的光量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)高百億倍，逼近量子優(yōu)越性，完成了臨門(mén)一腳的預(yù)演。 |
