中國(guó)的一組研究人員聲稱已經(jīng)對(duì)“量子優(yōu)勢(shì)”做出了第一個(gè)結(jié)論性的證明——使用量子力學(xué)來執(zhí)行在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上速度太慢的計(jì)算。

中科大課題組與上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（SIMIT）和中科院國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了一個(gè)量子計(jì)算機(jī)樣機(jī)，其中多達(dá)76個(gè)觀察到光子離開 100 個(gè)通道的網(wǎng)絡(luò)。

去年，谷歌宣布它已經(jīng)達(dá)到“量子霸權(quán)”，這引起了轟動(dòng)，該術(shù)語(yǔ)表示量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)幾乎不可能解決的計(jì)算的能力，除非采取不成比例的數(shù)量時(shí)間。在這個(gè)具體案例中，谷歌的量子計(jì)算機(jī)基于 Sycamore 53 量子位處理器，其算法運(yùn)行在一個(gè) 54 量子位的量子芯片上，每個(gè)芯片都由超導(dǎo)回路組成。

中國(guó)團(tuán)隊(duì)使用激光束進(jìn)行了一項(xiàng)計(jì)算，該計(jì)算在普通計(jì)算機(jī)上被證明在數(shù)學(xué)上是不可能的，在短短幾分鐘內(nèi)就解決了。這項(xiàng)任務(wù)將花費(fèi)世界上第四強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)超過 20 億年。在這些情況下，我們談?wù)摰氖菍?shí)驗(yàn)室測(cè)試，目前沒有任何適用于現(xiàn)實(shí)的東西。

在實(shí)驗(yàn)層面上，雖然谷歌團(tuán)隊(duì)使用冷卻到接近零溫度的超導(dǎo)體，但中國(guó)團(tuán)隊(duì)在其雙威太湖之光上使用了光子。為了確定結(jié)果的成就，中國(guó)團(tuán)隊(duì)使用統(tǒng)計(jì)測(cè)試來定義光子在由鏡子引導(dǎo)的光路上行進(jìn)的路徑。在該過程結(jié)束時(shí)讀取的每個(gè)光子都相當(dāng)于一個(gè)揭示計(jì)算結(jié)果的量子比特。

與中國(guó)最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)相比，該團(tuán)隊(duì)編寫了一個(gè)代碼來模擬行為并量化解決時(shí)間。他們執(zhí)行的計(jì)算與玻色子采樣問題有關(guān)。這個(gè)問題是由兩位計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Scott Aaronson 和 Alex Arkhipov 于 2011 年設(shè)計(jì)的。它涉及計(jì)算許多量子波相互干擾的玻色子的概率分布，因此粒子的位置基本上是隨機(jī)的。在給定位置檢測(cè)到玻色子的概率可以從許多未知數(shù)的方程中計(jì)算出來。

研究人員計(jì)算出，這臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)將花費(fèi)超過 20 億年的時(shí)間來完成九張?jiān)?3 分鐘內(nèi)完成的工作。

圖 1：生成壓縮狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖（來源：“Quantum Computing advantage using photons”）

像量子比特這樣的光子

在量子計(jì)算機(jī)中，比特，即普通燈具的基本信息單元，被所謂的“量子比特”，即量子比特所取代，由于編碼信息的可能性更大，量子比特能夠處理極其復(fù)雜的問題。普通計(jì)算機(jī)無法解決的問題。

中國(guó)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)展示了如何使用光子（光的基本單位）來增強(qiáng)量子計(jì)算，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出經(jīng)典對(duì)應(yīng)物。他們?cè)谑覝叵峦瓿闪诉@項(xiàng)任務(wù)。與谷歌不同，所使用的光學(xué)系統(tǒng)不容易重新編程。光子量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是不需要冷卻。

從激光脈沖開始，研究人員將信息編碼為特定光子狀態(tài)的空間位置和偏振。這些狀態(tài)相互干擾并產(chǎn)生代表輸出的光子分布。使用的光路是干涉儀。該團(tuán)隊(duì)使用能夠記錄單個(gè)光子的光電探測(cè)器來測(cè)量這種分布，事實(shí)上，這種分布編碼了難以以經(jīng)典方式執(zhí)行的計(jì)算。

量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力不是基于微芯片和電路，而是基于量子計(jì)算，量子計(jì)算基于量子力學(xué)原理，特別是量子糾纏，即亞原子粒子在一定距離內(nèi)影響不同亞原子粒子的能力。這種影響幾乎是瞬時(shí)的，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度可能是相同的。

量子計(jì)算仍處于萌芽階段，但所有這些霸權(quán)測(cè)試都促進(jìn)了研究，使模擬大型系統(tǒng)成為可能，最重要的是，指導(dǎo)物理學(xué)的進(jìn)步。中國(guó)研究人員正在與谷歌和IBM等其他公司展開競(jìng)爭(zhēng)，越來越多地加速了量子計(jì)算機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)。