“九章”解讀

龍學鋒

2020年12月4日，中國科學技術大學宣布，該校潘建偉團隊和中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、國家并行計算機工程技術研究中心合作成功構建的76個光子的量子計算原型機“九章”，求解數(shù)學算法“高斯玻色取樣”只需200秒，而目前世界上最快的超級計算機要用6億年。這一突破使中國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家，牢固確立了中國在國際量子計算研究中的第一方陣地位。什么是“量子優(yōu)越性”“高斯玻色取樣”？“九章”優(yōu)勝在何處？量子計算機距離我們生活還有多遠？

什么是“量子優(yōu)越性”

量子優(yōu)越性是一個科學術語，是指在某個特定問題上，量子計算機的計算能力遠超傳統(tǒng)計算機。

傳統(tǒng)計算機將所有數(shù)據(jù)存儲為0或1，而量子計算機利用量子力學的原理，可以允許一個物體同時處于多種狀態(tài)，實行“并行計算”。 正是因為這種能力，量子計算機一旦實用化，將會在很多領域取得革命性的成果。因此，近年來世界各國研究人員展開的研發(fā)競爭非常激烈。

2019年9月，美國谷歌公司宣布研制出53個量子比特的計算機“懸鈴木”，對一個數(shù)學問題的計算只需200秒，而當時世界最快的超級計算機“頂峰”需要1萬年，因此他們在全球首次實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。 相比“懸鈴木”，“九章”有三大優(yōu)勢：一是速度更快。雖然算的不是同一個數(shù)學問題，但與最快的超級計算機等效比較，“九章”比“懸鈴木”快100億倍。二是環(huán)境適應性?！皯意從尽毙枰?273.12℃的運行環(huán)境，而“九章”除了探測部分需要-269.12℃的環(huán)境外，其他部分可以在室溫下運行。三是彌補了技術漏洞。“懸鈴木”只有在小樣本的情況下快于超級計算機，“九章”在小樣本和大樣本上均快于超級計算機。

什么是“高斯玻色取樣”

量子計算機具有超快并行計算能力，它通過特定算法在一些重大問題方面實現(xiàn)指數(shù)級別的加速?！熬耪隆苯鉀Q的“高斯玻色取樣”問題就是一種?！案咚共Ｉ印笔且粋€計算概率分布的算法，可用于編碼和求解多種問題，其計算難度呈指數(shù)增長，很容易超出目前超級計算機的計算能力，適合量子計算機來探索解決。

這有點像一種叫高爾頓板的游戲：小球從上端的口落下，每經過一個釘板，都有一半的可能從左邊走，一半的可能從右邊走，最后，當很多小球扔下去后，下面格子里的小球分布會呈現(xiàn)一定的統(tǒng)計規(guī)律。

高斯玻色取樣就是量子版本的高爾頓板，實際情況更為復雜，非常適合量子計算機來解決。小球變成了光子，釘板變成了分束器，若干個光子進入網格之后，經過分束器組成的干涉儀，最終分別在哪些出口被探測到并記錄下來，就是一個采樣。積累之后，光子數(shù)也會有一個分布，每一種采樣結果都對應一個概率，全部可能的采樣結果就構成輸出態(tài)的態(tài)空間。在本研究中，潘建偉團隊構建的76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了“高斯玻色取樣”任務的快速求解?！熬耪隆钡乃懔烤褂卸鄰姡吭谑覝貤l件下運行（除光子探測部分需4K低溫），計算“高斯玻色取樣”問題，“九章”處理5000萬個樣本只需200秒，而目前世界上最快的傳統(tǒng)超級計算機“富岳”需6億年；處理100億個樣本，“九章”只需10小時，超級計算機則需要1200億年—而宇宙年齡不過約137億年。

量子計算機距離實用化還有多遠

雖然“九章”和“懸鈴木”都實現(xiàn)了量子優(yōu)越性，但“九章”進行的計算是“高斯玻色取樣”，而“懸鈴木”開展的計算是輸出特殊傾向的隨機數(shù)列。這都是為量子計算機量身打造的特殊計算，目前的量子計算機還無法在通用計算方面達成量子優(yōu)越性。量子計算機的發(fā)展將有三個階段：第一階段，研制50個到100個量子比特的專用量子計算機，實現(xiàn)量子優(yōu)越性里程碑式突破；第二階段，研制可操縱數(shù)百個量子比特的量子模擬機，解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題，比如量子化學、新材料設計、優(yōu)化算法等；第三階段，大幅提高量子比特的操縱精度、集成數(shù)量和容錯能力，研制可編程的通用量子計算原型機。目前，“九章”還處在第一階段。真正實用的量子計算機的出現(xiàn)則要到第三階段。能在各領域使用的通用型量子計算機必須要具備的一個特征，就是糾錯機制。實際上，傳統(tǒng)電子計算機也可能因為某些原因出現(xiàn)電子信號變強或變弱，從而導致發(fā)生計算錯誤，因此，傳統(tǒng)電子計算機也具備各種糾錯機制。但是對于量子計算機來說，糾錯機制尤為重要。量子計算機利用微觀物質所遵從的量子力學性質，所以不能照搬傳統(tǒng)電子計算機的糾錯機制?，F(xiàn)在科學家正在研究利用“量子糾纏”的狀態(tài)來進行糾錯。這種糾錯機制需要很多的量子比特。研究者猜測，要想實現(xiàn)帶有糾錯功能的通用型量子計算機，一般認為至少需要1萬～100萬個量子比特。現(xiàn)階段的規(guī)模是完全不夠的。另外，增加量子比特個數(shù)并不是那么簡單的事情，如果單純地增加量子比特的個數(shù)，就很難再保持機器的精度，各種線路也會變得更復雜，反而更容易產生錯誤。所以，要實現(xiàn)1萬～100萬個量子比特這樣的規(guī)模，最快也是10～20年之后的事情了。

潘建偉透露，在“九章”量子計算原型機的基礎上，他們研究組將通過提高量子比特的操縱精度等一系列技術攻關，力爭盡早研制出可編程的通用量子計算原型機?！跋Ｍ軌蛲ㄟ^15年到20年的努力，研制出通用的量子計算機，用以解決一些應用非常廣泛的問題，比如密碼分析、氣象預報、藥物設計等，同時也可以用于進一步探索物理學、化學、生物學領域的一些復雜問題。”

將來有了量子計算機，互聯(lián)網還安全嗎

有科學家認為，隨著量子計算機的落地，未來的網絡安全將面臨巨大問題，比如量子計算機的強大算力將把目前的傳統(tǒng)安全算法體系徹底擊垮。現(xiàn)在，為了保證互聯(lián)網通信的隱匿性，通常采用一種叫作“RSA算法”的加密方法。這種加密方法所基于的數(shù)學原理是：巨大整數(shù)的素因數(shù)分解十分困難，即“把兩個巨大的素數(shù)相乘得到的整數(shù)再進行素因數(shù)分解，求解出原本的兩個素數(shù)在事實上是不可能的”。如此一來，便可以保證加密的安全性。如果用目前的超級計算機對巨大整數(shù)進行素因數(shù)分解，所需要的時間會長到無法想象。但是，量子計算機在短時間內對巨大整數(shù)進行素因數(shù)分解所使用的量子算法（舒爾算法）已經公開。換句話說，量子計算有望以極短的時間破解基于“RSA算法”的加密方法。所以有人認為將來互聯(lián)網的安全性會遭到致命性的破壞。不過，目前研究者已經開始研發(fā)即使用量子計算機也解密不了的加密方式，因此某一天加密算法突然失效的情況應該不會出現(xiàn)。