“九章”問世　量子計算真的要來了？

李佳師

12月4日，據中國科學技術大學官網消息，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。根據現有理論，該量子計算系統處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍。

也是在12月4日，英特爾在其全球研究院開放日活動上宣布推出第二代Horse Ridge低溫量子控制芯片，標志著其在量子計算可擴展性上取得里程碑進展，因為可擴展性是全球量子計算的最大難點之一。

“九章”和Horse Ridge對于量子計算的發展有哪些意義？他們突破了哪些量子計算難點？目前量子計算各家技術路線分別面臨什么問題？

攻克三大技術難題

“九章”取得重大突破

潘建偉院士團隊所研發的量子計算機原形機取名“九章”，是為了紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》。據介紹，目前最優的經典算法，“九章”對于處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級計算機“富岳”快一百萬億倍，等效地比谷歌去年發布的53比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。同時，通過高斯玻色取樣證明量子計算優越性不依賴于樣本數量，克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優越性依賴于樣本數量的漏洞。“九章”輸出量子態空間規模達到了1030（“懸鈴木”輸出量子態空間規模是1016，目前壘世界的存儲容量是1022）。

這一成果的相關論文于12月4日在線發表在國際學術期刊《科學》。潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處于國際領先水平。2017年，該團隊構建了世界首臺超越早期經典計算機（ENLAC）的光量子計算原型機。2019年，團隊進一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實現了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出復雜度相當于48個量子比特的希爾伯特態空間，逼近了“量子計算優越性”。

據悉，潘建偉團隊這次突破主要是攻克了高品質光子源、高精度鎖相、規模化干涉三個技術難題。而基于“九章”量子計算原型機的高斯玻色取樣算法在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用，將是后續發展的重要方向。本源量子計算機公司副總經理張輝在接受《中國電子報》記者采訪時表示，“九章”取得了很大的突破，水準很高。光學量子計算機在早期科研方面可以發揮很大作用，但其工程化難度較大。

光學量子與電學量子

兩大路線各具特色

量子計算被視為“皇冠上的明珠”，全球諸多大公司都投入這場明珠爭奪戰。目前量子計算主要分為固態器件（也可稱之為電學路線）和光學路線兩大類量子計算路線。IBM與谷歌所走的是超導量子計算路線，英特爾所走的是半導體量子技術路線，無論是超導還是半導體都屬于固態器件路線，都屬于電學路線。所以谷歌、IBM、英特爾這三家公司屬于“固態器件路線派”。

“九章屬于光學路線。”張輝表示，“光學路線的光量子在相干時間上有優勢，因為光受環境干擾比較少。但是其可操控性較弱，而且與經典計算很難實現兼容。所以包括IBM、英特爾、谷歌等都沒有選光學，而是選擇了固態器件。這樣可以借用固態器件上的工藝，實現器件的小型化。目前世界上80%以上的量子計算都采用了固態器件的路線，因為它有很好的工業基礎，而且與經典計算能夠更好地融合，更容易實現產業化、工程化。”

“英特爾之所以選擇固態器件路線，因為它比較有現實意義，是能夠實現商業化的系統。量子計算機要成為商業化的系統需要具備幾卜條件：一是解決穩定性，有足夠多可用的、高質量的、穩定的量子。二是需要實現操控性，因為要控制其交錯、相干、交互等。三是批量化生產硬件。”英特爾中國研究院院長宋繼強在接受《中國電子報》記者采訪時表示，“英特爾今天推出的Horse Ridge II低溫量子控制芯片，解決的是第二步的問題。”

宋繼強進一步表示，目前業界使用的微波器件主要是常溫態，而量子是在極低溫的環境中才能存在的。要做成系統，就需要將常溫態的器件與低溫態的量子進行連接，這就相當于要將很多電纜綁在一起穿進大冰箱中，其中有串擾、衰減等等問題。Horse RidgeII低溫控制芯片解決的就是這個問題，進一步簡化了量子電路的控制，提高保真度，降低功率輸出，這樣集成量子電路才有可能往前邁進一步，量子計算系統實現商用才有可能性。

光學路線與電學路線量子計算，究竟哪種在未來會更成功，業界并沒有給出定論，但是從與經典計算的兼容、從現有工藝與產業資源的成熟度、商業化和產業化等綜合維度來看，固態器件都有明顯的優勢，這也就是為什么包括谷歌、IBM、英特爾等都選擇了該方向的技術路線進行探索的原因。

“如果光學量子要發展，最后也需要與電學進行集成和兼容，因為目前從光學路線看，其集成化、小型化、工程化難度都比較大。”張輝對記者表示，“真正衡量量子計算能力是看用它來解決問題消耗的資源與經典計算相比，誰消耗的資源更小。”

有國外專家表示，潘建偉、陸朝陽團隊實現了巨大的技術突破，水平遠超其他高斯玻色采樣試驗。除了量子計算，該項突破在量子通信方面也有很大裨益，能幫助建立量子通信網絡和量子互聯網。

有信息透露，潘建偉院士旗下同樣有團隊正在進行電學路線的量子計算研究，只是目前尚未對外公布。