200秒完成6亿年工作，“九章”到底有多牛？
200秒完成6亿年工作，“九章”到底有多牛？
来源｜科学探索奖（ID：XplorerPrize）
作者｜陈静
头图｜马潇汉，梁竞，邓宇皓，图释：光量子干涉实物图：左下方为输入光学部分，右下方为锁相光路，上方共输出100个光学模式，分别通过低损耗单模光纤与100超导单光子探测器连接
“九章”花200秒能完成的工作，目前世界上最快的超级计算机“富岳”，要工作6亿年。
12月4日，中国科学技术大学宣布潘建伟、陆朝阳等的研究团队，成功构建76个光子的量子计算机“九章”，根据现有理论，它比“富岳”快一百万亿倍。
一百万亿，就是1后面跟着足足14个0，这个巨大的数字让人头晕目眩。顶级学术期刊《科学》也在今天刊登了这一重磅成果，审稿人们的评价同样难掩激动：“一个重大成就”、“一个最先进的实验”。
我们在第一时间，求教了“九章”团队核心成员、2019年“科学探索奖”获奖人、中科大教授陆朝阳，只想搞清楚一个问题：“九章”，这个得名于中国古代最早数学专著《九章算术》的量子计算原型机，到底有多牛？
让量子计算“秀出肌肉”
对“九章”的每一篇报道，都会提到一个词“量子优越性”。有了“九章”，中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家，也确立了国际量子计算研究中第一方阵的地位。
什么是“量子优越性”？陆朝阳这样告诉我们：“如果量子计算原型机，在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明量子计算在未来有多方超越的可能。”
或者说得再通俗一点。尽管理论勾勒出的美好前景令人神往，但量子计算还需要在现实中证明自己的实力。科学家们选择了极端复杂的问题来考验量子计算，让它在实际应用中“秀出肌肉”。证明“量子优越性”，被认为是量子计算从理论到实践“里程碑式的转折点”。
“我行。”这是“九章”给出的答案。如果将样本扩大到100亿个，“九章”只需要10小时，但超级计算机需要1200亿年，而地球从诞生至今，只有约46亿年。通过“九章”，量子计算的并行计算能力，全面碾压了传统计算机。这就是“量子优越性”，因为差距过于夸张，”量子优越性“甚至被称为“量子霸权”。
和谷歌“悬铃木”算一笔账
当量子计算和传统计算的差异如此之大，说明“九章”有多厉害，还得换一个维度。
和“九章”同台竞技的是谷歌的量子计算原型机“悬铃木”。它们都被用来证明“量子优越性”，选择解决的问题，大方向也都是量子采样，“九章”主攻“高斯玻色采样”，“悬铃木”选择“随机线路采样”。
悬铃屠龙 号令天下 九章不出 谁与争锋（图片来源：中国科学技术大学 USTC）
相比“悬铃木”，“九章”有三大优势：一是速度更快。虽然算的不是同一个数学问题，但与最快的超算等效比较，“九章”比“悬铃木”快100亿倍。二是环境适应性。由于采用超导体系，“悬铃木”必须全程在零下273.12℃（30mK）的超低温环境下运行，而“九章”除了探测部分需要零下269.12摄氏度的环境外，其他部分可以在室温下运行。三是弥补了技术漏洞。“悬铃木”只有在小样本的情况下快于超算，“九章”在小样本和大样本上均快于超算。
陆朝阳接受央视新闻联播采访
陆朝阳说，“打个比方，就是谷歌的机器短跑可以跑赢超算，长跑跑不赢；我们的机器短跑和长跑都能跑赢。”
“九章”的输出态空间（量子纠缠可能出现的状态）达到了10的30次方，记录这些状态，用光世界上左右的内存、硬盘、光盘还不够，“悬铃木”的输出态空间则是10的16次方，两者相差十几个数量级。”陆朝阳表示。
值得一提的是，量子计算走到今天，已然展现出了诱人的应用前景。基于“九章号”量子计算原型机的“高斯玻色取样算法”在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。
50匹马和一根头发丝
“我们需要50路光子同时通过20多米的光层，每一路都要保持25纳米的精度，这相当于你让50匹马一起跑过100公里，必须同时到达，每匹马的误差，不能超过一根头发丝。”陆朝阳对于“九章”实现难度的形容，让人倒抽一口冷气。
100模式相位稳定干涉仪：光量子干涉装置高精度地锁定任意两路光束间的相位（摄影：马潇汉，梁竞，邓宇皓）
“从工作想法来说，‘九章’的创新在于以压缩态作为输入来源，来做高斯玻色采样，在具体实现方面，发展了四项关键性的技术。”陆朝阳介绍说。证明“量子优越性”不光要能计算，还要能出题，能测量。
“50匹马和一根头发丝的比喻，是在形容我们达到的10的负9次方的锁相精度，除此之外，我们还提供了国际上唯一一个具备高效率、高全同性、高亮度和大规模扩展能力的量子光源，构建起大规模、全联通、通过率接近100%的矩阵相位，还能以非常高的效率来探测收集到的单光子，这其中每一项，都是一个很大的挑战。”陆朝阳进一步解释。
高品质光子源、高精度锁相、规模化干涉……一项项创新与突破，让“九章”后来居上。
专用机？通用机？
“九章”的强悍实力，让围观群众很难不随之联想，“除了实现‘量子优越性’，只能解决特定问题的‘九章’还有什么用？”再进一步，就像传统计算机花了20多年，走过从专用到通用的历程一样，我们离通用量子计算机还有多远？
“很多人对通用量子计算机，有非常强大的执念。”陆朝阳说，“其实我想告诉大家，如果我们能产生一些有实用价值的专用量子计算机，已经有很大的社会和商业价值，比如‘九章’解决的，其实是数学问题，未来可以映射到制药、材料设计等很多领域，每个问题的解决，可能都是个百亿美元级别的产业。”
“九章”相当于76个量子比特，而通用量子计算机可能需要上千万个量子比特。“过高的期望，随之会产生大量的泡沫。”陆朝阳介绍说，“对于通用量子计算机，我们普遍认为，还需要15~20年的时间，每一个专用机，都是量子计算前进路上的垫脚石。只有一步一步走，沿途下蛋，才能保证量子计算领域的健康发展，避免‘量子寒冬’的到来。”