中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳团队构建的一套光量子计算系统，最近在高斯玻色采样（Gaussian Boson Sampling）问题上取得重要突破，求解速度达到目前全球最快的超级计算机的一百万亿倍，远远超过经典计算机。

这意味着中国科学家首次实现 “量子霸权”（quantum supremacy），另一个说法是量子优越性（quantum computational advantage），即在某个特定问题上的计算能力远超现有最强的传统计算机，而传统计算机在有限时间内无法完成计算。

北京时间12月4日凌晨，该工作在《科学》杂志在线发表，论文标题为 “用光子实现量子计算优越性”（Quantum computational advantage using photons）[1]。

“这是一个巨大的技术突破”，德国马克斯·普朗克量子光学研究所理论部主任伊格纳西奥·西拉克（Ignacio Cirac）表示，“远超其他高斯玻色采样实验。

“我有点惊讶，因为这项实验非常困难”，德克萨斯大学奥斯汀分校的计算机科学教授斯科特·亚伦森（Scott Aaronson）在邮件中告诉《知识分子》。

光量子计算首次实现量子计算优越性

潘建伟将该光量子计算系统命名为 “九章”，以此纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。

量子计算机可以解决一些超出传统计算机计算能力的问题，“九章” 解决的 “高斯玻色采样” 问题就是一种。

“高斯玻色采样” 是一种复杂的采样计算，其计算难度呈指数增长，很容易超出目前超级计算机的计算能力，适合量子计算机来探索解决。它是 “玻色采样” 问题的一种，而玻色采样问题是量子信息领域第一个在数学上被严格证明可以用来演示量子计算加速的算法。

在本研究中，潘建伟和同事们构建了76个光子的量子计算原型机 “九章”，实现了 “高斯玻色采样” 任务的快速求解。具体来说，“九章” 在一分钟时间里完成了经典超级计算机一亿年才能完成的任务。

2019年10月，美国物理学家 John Martinis 带领的谷歌团队实现 “量子霸权”，他们开发的 “悬铃木”（sycamore）芯片采用超导量子计算，产生53个量子比特，宣称能用200秒完成经典超级计算机大约一万年才能完成的计算。[2]

作为高斯玻色采样的共同提出者，亚伦森表示，尽管谷歌的团队去年已经实现 “量子霸权”，但这个概念非常重要，需要多个团队用多种技术重复去证实，因此他非常高兴看到这次的成果。

与谷歌采用零下273摄氏度左右的超导线圈产生量子比特不同，潘建伟团队的实验用光子实现量子计算过程，大部分实验过程在常温下进行。他们将一束定制的激光分成强度相等的13条路径，聚焦在25个晶体上产生25个特殊状态的量子光源，光源通过2米自由空间和20米光纤（其中5米缠绕在一个压电陶瓷上），进入干涉仪和彼此 “对话”，最后的输出结果由100个超导纳米线单光子探测器探测，最终有76个探测器探测到了光子。

“九章”实验装置示意图

干涉仪中发生的 “对话” 过程，让光子波在同时同地完美重合，使光子表现出经典世界不存在的量子干涉现象。

该研究的通讯作者之一、中国科学技术大学教授陆朝阳说，如果把这个系统比喻成弹珠机，光子就是其中的弹珠，这些珠子本身是有 “分身术” 的，而且两个完全相同的珠子之间会有 “鬼魅般的” 相互作用，相遇的话一定会一起从同一个门跑出去。

本论文的第一作者均为90后，钟翰森（左图后排左5）为95年出生，王辉（右图前排左二）是91年出生，陈明城（右图后排左4）为90年，最小的是97年的邓宇皓（左图后排左1）。本图由受访者提供。

一个突破，多少技术革新？

在悉尼大学教授史蒂夫·弗拉米亚（Steve Flammia）看来，这项实验最大的亮点是通过技术改进达到的实验规模（scale）。“看到这份论文的摘要时，我的第一个反应是这个实验的规模是难以置信的”，他在邮件中告诉《知识分子》。“50个压缩态进入100模式的干涉仪？简直不可思议！”

弗拉米亚在2005年夏天访问过潘建伟在合肥的实验室，当时他和陆朝阳都还是学生。他当时已经对陆朝阳表现出来的学术潜力印象深刻。“同学们都知道陆朝阳将会做出非常优秀的工作。”

此次实验非一蹴而就。2017年，潘建伟、陆朝阳团队构建了世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机，2019年则实现了输入20个光子、探测14个光子的量子计算。“当时国际上基本上在做大概3到4个光子”，陆朝阳说，“我们2019年的这个工作已经让国际非常震惊了。”