有史以來第一次，一臺由光子——光粒子——製成的量子計算機，其效能甚至超越了最快的經典超級計算機。
由中國科學技術大學（USTC）的陸朝陽和潘建偉領導的物理學家們，在合肥，用他們的量子計算機“九章”*進行了一種名為高斯玻色取樣的技術。結果發表在《科學》雜誌上，探測到76個光子——遠遠超過了之前5個探測光子的記錄以及經典超級計算機的能力。
與由矽處理器構建的傳統計算機不同，“九章”是一個由雷射器、反射鏡、稜鏡和光子探測器組成的精巧的桌面裝置。它不是一臺有一天可以傳送電子郵件或儲存檔案的通用計算機，但它確實展示了量子計算的潛力。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
去年，當谷歌的量子計算機“西克莫”大約用三分鐘完成了超級計算機需要三天（或10000年，取決於您的估算方法）才能完成的任務時，成為了頭條新聞。在他們的論文中，中國科學技術大學團隊估計，世界排名第三的超級計算機“神威·太湖之光”需要驚人的25億年才能完成與“九章”相同的計算。
這是量子霸權的第二次演示，這個術語描述的是量子計算機在速度上呈指數級超越任何經典計算機，有效地完成了原本在計算上幾乎不可能完成的任務的那個點。這不僅僅是原理驗證；也有一些跡象表明，高斯玻色取樣可能具有實際應用，例如解決量子化學和數學中特定的問題。更廣泛地說，控制光子作為量子位元是任何大規模量子網際網路的先決條件。（量子位元是量子位，類似於經典計算中用於表示資訊的位元。）
“這件事會發生並非顯而易見，”斯科特·阿倫森說，他是一位理論計算機科學家，現在在德克薩斯大學奧斯汀分校，他與當時的*學生*亞歷克斯·阿基波夫在2011年首次概述了玻色取樣的基本原理。玻色取樣實驗多年來一直停留在大約三到五個探測光子的水平，根據阿倫森的說法，這與量子霸權“相去甚遠”。“擴大規模很難，”他說。“向他們致敬。”
在過去的幾年裡，量子計算已經從默默無聞發展成為一個價值數十億美元的企業，其潛在影響得到了國家安全、全球經濟以及物理學和計算機科學基礎領域的認可。2019年，美國國家量子倡議法案簽署成為法律，在未來10年內向量子技術投資超過12億美元。該領域也受到了相當多的炒作，出現了一些不切實際的時間表和關於量子計算機將使經典計算機完全過時的誇大言論。
中國科學技術大學團隊的這項最新的量子計算潛力演示至關重要，因為它與谷歌的方法截然不同。“西克莫”使用金屬超導環路來形成量子位元；在“九章”中，光子本身就是量子位元。即使在完全不同的硬體上，量子計算原理也能導致量子霸權的獨立證實，“使我們有信心，從長遠來看，最終，有用的量子模擬器和容錯量子計算機將成為可能，”陸朝陽說。
光取樣
為什麼量子計算機具有巨大的潛力？考慮一下著名的雙縫實驗，其中一個光子射向一個帶有兩條狹縫A和B的屏障。光子不是穿過A，也不是穿過B。相反，雙縫實驗表明，光子存在於一種“疊加態”，或者說是同時穿過A和B的可能性組合。理論上，利用疊加等量子特性，量子計算機在應用於某些特定問題時，可以實現相對於經典計算機的指數級加速。
21世紀初的物理學家們對利用光子的量子特性製造量子計算機很感興趣，部分原因是光子可以在室溫下充當量子位元，因此不需要像其他量子計算方案那樣，花費高昂的成本將系統冷卻到幾開爾文（約零下455華氏度）。但很快就變得明顯，構建通用光子量子計算機是不可行的。即使要構建一臺可用的量子計算機，也需要數百萬個雷射器和其他光學器件。因此，用光子實現量子霸權似乎遙不可及。
然後，在2011年，阿倫森和阿基波夫提出了玻色取樣的概念，展示瞭如何用由少量雷射器、反射鏡、稜鏡和光子探測器組成的有限量子計算機來完成玻色取樣。突然，光子量子計算機有了一條展示它們可以比經典計算機更快的途徑。
玻色取樣的裝置類似於一種叫做彈珠機的玩具，它只是一個釘板，上面覆蓋著一層透明玻璃板。小球從頂部掉入釘子的行中。在它們向下移動的過程中，它們會從釘子上和彼此之間彈開，直到落到底部的槽中。在經典計算機上模擬槽中球的分佈相對容易。
玻色取樣使用光子代替小球，並用反射鏡和稜鏡代替釘子。來自雷射器的光子從反射鏡上彈開，穿過稜鏡，直到它們落入“槽”中被探測到。與經典小球不同，光子的量子特性導致可能的分佈數量呈指數級增長。
玻色取樣解決的問題本質上是“光子的分佈是什麼？”玻色取樣是一臺量子計算機，它透過成為光子的分佈來解決自身問題。與此同時，經典計算機必須透過計算矩陣的“積和式”來計算光子的分佈。對於兩個光子的輸入，這只是一個涉及二乘二陣列的簡短計算。但是，隨著光子輸入和探測器數量的增加，陣列的大小也會增長，呈指數級地增加問題的計算難度。
去年，中國科學技術大學團隊演示了用14個探測光子進行玻色取樣——對於筆記型電腦來說很難計算，但對於超級計算機來說很容易。為了擴充套件到量子霸權，他們使用了一種稍微不同的協議，即高斯玻色取樣。
根據德國帕德博恩大學的量子光學專家克里斯汀·西爾伯霍恩（她是高斯玻色取樣的共同開發者之一）的說法，這項技術旨在避免阿倫森和阿基波夫的“普通”玻色取樣中使用的不可靠的單光子。
“我真的想讓它實用化，”她說，“這是一個專門針對你在實驗中可以做什麼的方案。”
即便如此，她也承認中國科學技術大學的裝置非常複雜。“九章”從一個雷射器開始，雷射器被分成光束，照射到25個由鈦酸氧鉀製成的晶體上。每次晶體被擊中後，它都會可靠地向相反方向噴射出兩個光子。然後，光子被送到100個輸入端，在那裡它們在由300個稜鏡和75個反射鏡組成的軌道中競速。最後，光子落入100個槽中被探測到。透過平均200秒的執行時間，中國科學技術大學團隊每次執行探測到約43個光子。但在一次執行中，他們觀察到76個光子——足以證明他們的量子霸權主張是合理的。
很難估計超級計算機需要多少時間來解決一個包含76個探測光子的分佈——很大程度上是因為花費25億年執行超級計算機來直接檢查它並不完全可行。相反，研究人員從經典計算較少數量探測光子所需的時間中推斷出來。研究人員聲稱，在最好的情況下，解決50個光子的分佈需要超級計算機兩天時間，這遠遠慢於“九章”200秒的執行時間。
玻色取樣方案多年來一直停留在低光子數量，因為它們非常難以擴充套件。為了保持敏感的量子排列，光子必須保持不可區分。想象一場賽馬，所有的馬都必須完全在同一時間從起跑門釋放，並同時到達終點線。不幸的是，光子比馬匹更不可靠。
當“九章”中的光子行進22米的路程時，它們的位置差異不能超過25奈米。這相當於100匹馬跑100公里，並且在終點線上的差距不超過一根頭髮絲的寬度，陸朝陽說。
量子探索
中國科學技術大學的量子計算機以“九章”命名，取自《九章算術》，這是一部中國古代典籍，其影響可與歐幾里得的《幾何原本》相媲美。
量子計算也面臨著許多曲折。陸朝陽表示，超越經典計算機不是一勞永逸的事情，而將是一場持續的競爭，看看經典演算法和計算機是否能夠趕上，或者量子計算機是否能夠保持他們已經奪取的霸權。
事情不太可能是靜態的。10月底，加拿大量子計算初創公司Xanadu的研究人員發現了一種演算法，可以將某些玻色取樣實驗的經典模擬時間縮短為原來的平方根。換句話說，如果之前50個探測光子足以實現量子霸權，那麼現在就需要100個。
對於像阿倫森這樣的理論計算機科學家來說，這個結果令人興奮，因為它有助於進一步證明擴充套件的丘奇-圖靈論題是錯誤的，該論題認為任何物理系統都可以在經典計算機上有效地模擬。
“從最廣泛的層面來說，如果我們把宇宙看作一臺計算機，那麼它是什麼型別的計算機呢？”阿倫森說。“它是經典計算機？還是量子計算機？”
到目前為止，宇宙，就像我們試圖製造的計算機一樣，似乎頑固地保持著量子性。
*編者注（2021年12月20日）：此句在釋出後進行了編輯，以更正中國科學技術大學的所在地。