中國科學技術大學宣布該校潘建偉等人成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”

    一場量子計算領域的競速，早已在你追我趕中拉開大幕。

高承實

　　曾經飄在物理大廈上空的“兩朵烏雲”中的一朵——量子力學——已經開啟人類資訊革命的新維度，量子計算成為國際科技競速的新賽道。

　　近日，全球最大的預印本係統arVix上一篇名為《利用超導量子處理器實現強量子計算優越性》的論文引發國外網友關注。中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、彭承志研究團隊設計並構造了62個量子比特的可編程超導量子計算原型機，並選取了其中的56個量子比特來展示隨機電路採樣，取得了比當年谷歌“懸鈴木號”處理器53個量子比特高2~3個數量級的量子優越性。

　　論文指出，在中國量子電腦“祖衝之號”上，將現存功能最強大的超級電腦需8年完成的任務樣本壓縮至最短1.2個小時內完成，用實驗驗證了使用超導量子位達成“量子優勢”。

　　就在中科大發布此次成果的第二天，IBM宣布了其在量子領域的下一步計劃，即將在2023年之前建立一個有1211個量子比特的係統，未來更將向100萬以上量子比特的係統發起挑戰。

　　一場量子計算領域的競速，早已在你追我趕中拉開大幕。

什麼是量子優勢？

　　量子力學自問世以來，已先後孕育出原子彈、鐳射、核磁共振等技術，成為20世紀最重要的科學發現之一。進入21世紀，量子科技又催生了量子計算、量子通信和量子測量等一批新興技術，這些新興技術有可能極大改變人類獲取、傳輸和處理資訊的方式。

　　量子計算的概念最早由物理學家費曼提出。1985年，牛津大學教授戴維·多伊奇進一步發展了費曼的構想，通過“量子線路”方法，將經典電腦中負責運算處理的邏輯門擴展到了量子力學領域。上世紀90年代，Shor演算法和Grover演算法證明了量子計算在速度方面擁有經典計算無法比擬的優勢。

　　量子優勢也被稱為量子霸權，這個概念是加州理工學院教授約翰·普雷斯基爾2012年提出來的。目前常用的展示量子優勢或量子霸權的問題，一個是阿倫森和阿爾希波夫提議的玻色子抽樣，也就是光子通過線性光學網絡，對出射光子的量子態進行測量，這個問題在一定假設下傳統電腦是很難處理的；另一個問題是谷歌之前採用的隨機量子線路抽樣，即對于一個隨機而確定的量子線路，通過採樣方法得到比特串集合，並實現此集合中比特串的幾率分布對應于量子線路的幾率分布。

誰實現了量子優勢？

　　2019年9月，谷歌在53個量子比特的量子電腦上用時200秒完成了隨機量子線路採樣。谷歌宣稱，這項任務用當今最強大的超級電腦也需耗費上萬年才能完成。盡管這之後IBM的科學家通過優化演算法，其超級電腦僅僅用了2.5天就完成了前述任務，但也足以説明，在量子線路採樣方面，谷歌確實實現了量子優勢。而本次中科大團隊的“祖衝之號”完成的也是隨機量子線路採樣，同樣實現了量子優勢。

　　早在2020年12月，潘建偉團隊就成功構建的76個光子的量子計算原型機“九章”，只用200秒就完成了高斯玻色取樣，比目前最快的超級電腦快100萬億倍，比谷歌發布的53個超導比特量子計算原型機快100億倍。因此中國在2020年底就成為了全球第二個實現量子優勢的國家。

　　實現量子優勢，代表著超越經典的量子計算能力從理論證明走進了實驗驗證，標誌著計算能力飛躍發展的新時代的開始。

量子計算有哪些技術路線？

　　目前國際學術界量子計算領域的主流技術路線有超導、半導體、離子阱、光學和量子拓撲，每條路線有各自的優勢和劣勢，但任何一條路線都沒能完全滿足實用化要求並趨向技術收斂。其中，前4條技術路線均已制作出物理原型機，而量子拓撲這一方向尚無物理層面的實現。

　　超導被認為是量子計算最有希望也最有可能出成果的一條路線，它也是目前進展最快最好的。超導路線的優勢是可擴展性好，固態器件、電學方向能夠使未來的量子計算與經典的電腦相相容。谷歌、IBM、英特爾等巨頭的量子計算路線目前都押注在超導或者半導體方向。超導路線也備受Quantum Circuits、裏格蒂計算等量子領域新銳公司以及國內本源量子、北京量子院等公司和機構的青睞。

　　超導路線的核心是整合更多量子比特，同時提升超導量子比特性能，實現高精度相幹操控更多量子比特，進而完成在特定問題處理上的加速，並最終應用到實際問題中。近年來，相關公司和機構在這個方向上取得了一係列科研進展。

　　2016年12月，潘建偉團隊首次實現了10個光子比特和10個超導量子比特的糾纏；2017年11月，IBM首次構建了50個量子比特的處理器；2018年3月，谷歌發布了Bristlecone量子晶片，實現了72個量子比特長度上的單比特門操縱，最佳保真度達到了99.9%；2019年1月，清華大學首次利用單量子比特實現了精度為98.8%的量子生成對抗網絡，該網絡未來可在圖像生成等領域得到應用；2019年8月，中科大構建了24個量子比特處理器，並進行了多體量子係統模擬；2020年9月12日，本源量子上線了中國首個接入實體量子電腦的量子計算雲平臺，邁出了中國量子計算應用的第一步。

　　當然，超導路線也有其不足。超導量子態易于操控和讀取，其量子態也易于與環境發生耦合，導致相幹性快速退化。最早的超導量子比特壽命不到10納秒（1納秒為1秒的十億分之一），雖然能夠看到相幹演化，但難以準確操控。如何在介觀尺度固態器件復雜的電磁環境中抑制各種噪聲影響，解決退相幹問題，就成為早期超導量子電路研究的重點。

“祖衝之號”為什麼牛？

　　除了讀取發生錯誤概率、單比特操作錯誤概率和雙比特操作錯誤概率等指標外，在比特的相幹時間上，“祖衝之號”也比谷歌“懸鈴木號”有明顯提高。在技術工藝上，“祖衝之號”本次實驗用了倒樁焊工藝，採用了一對四可調耦合結構。這些都是“祖衝之號”的創新之處。

　　基于這一體係優異的可編程性質，研究人員實現並深入研究了二維量子隨機行走，這是實現更大規模量子模擬，甚至邁向通用量子計算的一條途徑。

　　“祖衝之號”設計並構造了62個量子比特的可編程超導量子計算原型機，這是目前公開報道的世界上最大量子比特數的超導量子體係。它的問世為量子技術領域的後續研究提供了技術基礎，特別是為研究具有重大實用價值的量子電腦開辟了道路。

數字貨幣還安全嗎？

　　潘建偉院士將量子計算的發展分為三個階段：第一階段，即針對一些特殊問題，造出一臺比目前電腦更快的量子電腦，也就是實現量子霸權；第二階段，希望能夠操縱幾百個量子比特，實現一種專用的量子模擬機，用于高溫超導機制、特殊材料設計等目前電腦無法處理的問題；第三階段就是爭取未來二三十年造出可編程的通用量子電腦。

　　如果通用量子電腦研制成功，或在類似Shor或Grover演算法上能夠實現量子霸權，那麼量子計算將對現有密碼和安全體制帶來顛覆性影響，甚至會重構整個密碼與安全體制。從當前技術進展來看，量子計算將對目前密碼演算法中的非對稱密碼演算法和哈希函數帶來致命性影響。非對稱密碼被認為是現代密碼學中唯一的重大發現，被廣泛應用在身份認證、數據來源認證、密鑰傳輸等場景。哈希函數也在現代密碼與安全體制中被廣泛使用，以確保傳輸中數據的完整性。

　　因此，如果量子計算能夠得到真正應用，建立在非對稱密碼和哈希函數基礎上的數字貨幣，其安全性也自然會被顛覆，整個數字貨幣係統的安全性更將不復存在。當然，受到影響的，絕不僅僅是數字貨幣，與現代密碼學相關的所有領域和環節，都將受到重大影響和顛覆。

通用量子電腦還有多遠？

　　通用量子電腦既然能給現代密碼學帶來如此大的衝擊，為何密碼學專家們並未因此恐慌？那是因為，目前大規模量子比特的物理實現、量子糾錯編碼、量子演算法軟件等關鍵技術仍處于艱難的研究拓展階段，量子計算技術研究與應用也仍處于非常早期的發展階段。

　　現階段，各國科研團隊研發的都是用于解決特定問題的專用機，只需相對少量物理比特和特定演算法，實現相對容易。而通用量子電腦則需要上百萬甚至更多物理比特，對容錯能力要求高，同時也需要相應通用的量子演算法和軟件支撐，因此注定是一個長期過程。

　　實際上，量子計算目前只在部分經典計算不能或難以解決的問題上具備理論優勢，並非在所有問題的解決上都優于經典計算。量子係統自身的脆弱性對計算準確度影響較大，現有係統的相幹時間、量子比特數量和操控精度還不足以運作已有的高級量子演算法，量子計算超越經典計算的優勢尚未得到充分證明。同時，對量子的操控仍需經典電腦輔助。因此，在未來相當長時間內，量子計算都無法完全取代經典計算，兩者將長期並存。

　　（作者係密碼學博士、中國電腦學會區塊鏈專業委員會委員）

來源：2021年8月11日出版的《環球》雜志 第16期

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