让中央集体学习的量子科技究竟是啥？这个科普我已经做了五年（五）在九章中介绍九章 | 袁岚峰
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本视频发布于2020年12月19日，播放量已逾五百万
我们这个系列文章，是因为2020年10月中央集体学习量子科技而起（让中央集体学习的量子科技究竟是啥？这个科普我已经做了五年（一）量子是什么 | 袁岚峰）。而在最近的12月，又发生了一件大新闻，引爆了公众的兴趣，就是中国的量子计算机“九章”实现了“量子优越性”，比最快的超级计算机快一百万亿倍！
九章光量子干涉实物图
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。
摄影：马潇汉，梁竞，邓宇皓
这是量子计算走向实用化的途中，目前最强的成果。不过整体而言，量子计算离实用还有很远的距离，需要我们长期的努力。下面，我们就来介绍一下这方面的大图景。
在前面的节目中，我们解释了量子计算的原理。它的优越性来自量子力学三大奥义：叠加、测量和纠缠（让中央集体学习的量子科技究竟是啥？这个科普我已经做了五年（二）量子力学三大奥义 | 袁岚峰）。量子计算机的基本操作单元是量子比特，而不是经典计算机的比特。对于一些特定的问题，例如破解RSA密码，人们可以设计出快速的量子算法，使得量子计算机的速度远远超过经典计算机。
上面这些是量子计算机的软件层面。而在硬件层面，又有许多问题需要考虑。
学过计算机科学的人都知道，有很多种物理体系可以用来制造计算机，例如电子管、晶体管、集成电路，还有早期的机械计算机。在《三体》中，甚至还有一个由三千万人组成的计算机。所以对于量子计算机，也存在同样的问题：用什么物理体系来实现量子计算机？
第一台电子管计算机ENIAC
英国发明家巴贝奇（Charles Babbage，1792 - 1871）1849年设计的“差分机2号”，伦敦科学博物馆在1985 - 1991年间用十九世纪的技术制造
基本的回答是，什么都行。
例如有人提议用粒子物理中的介子、夸克和胶子来做量子计算机，——这个太小了，因为这些粒子比质子、中子还小。还有人提议用宇宙学中的黑洞来做量子计算机，——这个又太大了。还经常听到这样的说法：整个宇宙就是一台量子计算机！
黑洞：大家好，听说我可以做量子计算机？
实际上，量子计算机的体系应该满足四个条件：用这个物理体系可以表示量子比特；可以把量子比特制备到特定的初始状态；可以让这个体系按照期望的方式变换；可以测量体系的输出状态。
看起来，这些条件很正常，就是说你可以制备基本操作单元，能对基本操作单元进行输入、变换和输出。这不是理所当然的吗？
但真正的问题在于，这些条件对于经典计算机很容易同时满足，而对于量子计算机就很难同时满足。这些条件往往是互相矛盾的！例如，原子核的自旋可以作为很好的量子比特，但测量它的状态却十分困难。
这就是为什么，制造量子计算机十分困难，实用的量子计算机到现在还没造出来。这也导致了一个有趣的现象：每当有一个量子计算机的新闻，都有人争论这算不算量子计算机。有人一看到新闻说造出了量子计算机就大怒，认为是欺骗宣传。实际上，这只是个名称问题而已。因为并没有一个截然的标准，达到这个标准就叫量子计算机，达不到就不叫量子计算机。这是一个逐渐进步的过程。
真正的干货在于，经过以上四个条件的限制之后，量子计算机的可选方案就没多少了。目前主流的技术路线，基本是光学、离子阱、超导电路、核磁共振、金刚石色心和冷原子等几种。我们有时会听到“光量子计算机”、“超导量子计算机”等等，其实说的就是用什么体系来实现量子计算机。
不同物理系统做量子计算参数比较，见张文卓《大话量子通信》
早期的量子计算机，功能都非常弱。例如对于我们上一期节目中介绍的量子因数分解，能把15分解成3 × 5。这就只有演示作用，演示量子计算机的原理是可以实现的。
2017年5月，实现了一个里程碑：量子计算机第一次超越了最早的电子计算机，也就是1946年的ENIAC。这是由科大的潘建伟和陆朝阳等人实现的，他们用的物理体系是光学，处理的问题叫做“玻色子取样”（boson sampling）。
世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机1
这个问题大致可以理解为：一个光路有很多个入口和很多个出口，问每一个出口有多少光出去。之所以叫“玻色子取样”，是因为粒子分为两类，玻色子（boson）和费米子（fermion），而光子就属于玻色子。
世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机2
我们在上次介绍过，量子计算机只是对某些特定的问题有优势，而不是对任何问题都有优势。所以你在看到一个量子计算机的新闻时，应该问：“它处理的是什么问题？”这样别人一听就知道你是内行。而如果你问一些傻乎乎的问题，例如：“打游戏会卡吗？”别人一听就知道你很外行了！
下一个里程碑，是2019年10月，谷歌宣布实现了“量子霸权”（quantum supremacy）。霸权这个词听起来可能让很多人不舒服，所以现在更流行的说法是“量子优越性”（quantum advantage）。无论叫什么名字，实际的意思都是，对于某个问题，量子计算机超越了现有的最强的经典计算机（量子霸权实现了吗？谷歌的“一万年太久”，IBM的“只争朝夕”，和中国的“百舸争流” | 袁岚峰）。
具体而言，谷歌用的物理体系是超导，处理的问题是“随机线路取样”（random circuit sampling）。这个问题大致可以理解为：验证一个量子随机数发生器是不是真的随机。这个问题本身并没有什么实用价值，不过它天然的就有利于量子计算机，而不利于经典计算机，所以适合用来演示量子优越性。
谷歌的这台量子计算机叫做“悬铃木”（Sycamore），它包含53个量子比特。为什么会是这么个数字呢？本来应该是54个，坏了一个，所以是53个。
谷歌论文图1对“悬铃木”量子计算机结构的演示
谷歌宣布，悬铃木花了200秒对一个量子线路取样一百万次，而最强的超级计算机完成同样的任务需要一万年。这是一个十亿倍量级的优势。
谷歌论文图4对量子霸权的演示，请注意最右边黑色箭头上方的一万年与中缝中的200秒的对比
不过，IBM立刻跳出来表示反对。
我反对这门亲事！（电影《大话西游》）
IBM说，你们给经典计算机用的算法太愚笨了，你们是故意来黑经典计算机的吗？IBM指出，谷歌的算法只用到了内存，但别忘了世界上有个东西叫做“硬盘”！把一部分数据放到硬盘上，稍微优化一下算法，就可以把时间从一万年缩短到两天半。
IBM指出：别忘了世界上有个东西叫做“硬盘”！
这样一来，悬铃木相对于经典计算机的优势被缩减到了一千倍。不过无论如何，它总是实现了量子优越性，这个里程碑的意义是巨大的。至于优势是多少倍，那是细节问题。
下一个里程碑，就是最近的九章。这个名字来自中国古代著名的数学教科书《九章算术》。研究者又是科大的潘建伟和陆朝阳等人，物理体系又是光学，处理的问题又是玻色子取样。实际上，这正是他们在2017年工作基础上的新进展。
清朝李演著《九章算术细草图说》
例如他们有国际上唯一同时具备高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源，还有最大规模（100 × 100）的干涉技术，还能同时做到全连通、随机矩阵、相位稳定、波包重合好（> 99.5%）、通过率高（> 98%）。他们还有极高的精密操控技术，能保持2米自由空间加20米光纤的光程中抖动不超过25纳米，这相当于100公里的距离误差小于一根头发丝。此外，中科院上海微系统所研制的高性能超导单光子探测器也扮演了重要角色。
所以大家可以明白，九章的成功是一个技术上的重大突破。许多国际专家对九章发来祝贺，这就是他们赞扬的一个重要的点。
多位国际专家对九章的评价
实际上，近十几年来，潘建伟研究组一直是国际上用光学进行量子信息研究的领导者。我的朋友、量子信息理论家、北京理工大学物理学院量子技术研究中心准聘教授尹璋琦博士给出了一个专业的解读（https://weibo.com/1401447414/Jx3GdiOK2）：
“这个工作也表明用光子实现通用量子计算机是大有希望的。如果给九章量子计算原型机加上自适应测量，就能做出通用量子计算机。现在超导电路、离子阱、光量子计算等多个候选系统，竞争极为激烈。中科大研究组几乎是以一己之力把光量子计算技术又拉回到舞台中央。与其它系统比较，光量子计算机的最大优势在于它可以在常温常压下工作，而且与量子通信与量子网络技术能无缝对接。”
我可以简而言之为：这个成果的技术潜力比这个成果本身更重要。
还有一个花絮。2020年12月5日，我应共青团中央的邀请，拍了一个介绍科大的量子信息研究的视频。其中有一段，是潘建伟研究组的苑震生教授带我和两位同学参观他们的实验室。
在一个狭窄的空间里，苑老师告诉大家，我们身前这个格子里的器件就是九章的光路，身后那个格子里的器件就是九章的核心器件。也就是说，我们就置身在九章之中！我们是在九章里面向大家介绍九章！
在九章里面向大家介绍量子信息
许多人很好奇，九章长什么样。其实它就是这个样，一堆光学元件。
具体而言，九章用到了76个光子和100个模式，也就是100个入口和100个出口。九章花200秒采集到5000万个样本，目前最强的超级计算机做同样的任务需要6亿年，九章快一百万亿倍。
左上方激光系统产生高峰值功率飞秒脉冲；左方25个光源通过参量下转换过程产生50路单模压缩态输入到右方100模式光量子干涉网络; 最后利用100个高效率超导单光子探测器对干涉仪输出光量子态进行探测。
制图：陆朝阳，彭礼超
有人可能会纳闷：这不是一个光学实验吗？怎么能叫计算机呢？
它确实是一个光学实验，同时它也是计算机，因为我们确实获得了以前没有的数据。量子计算的原理就是这样，通过对一个体系进行量子力学操作获得数据。如果你认为这不算计算机，那么电子计算机也不算计算机，因为它只是一个电学实验而已。你会这样认为吗？
ENIAC：其实我也是一个电学实验
九章有一个好处，就是玻色子取样这个问题并不是只有演示价值，而是有潜在的应用，例如在图论、机器学习、量子化学等领域（经典和量子的算力之争：中国科学家实现“量子计算优越性”里程碑 | 墨子沙龙）。将来，我们有可能把一个药物研发问题转化成一个玻色子取样问题，用九章这样的量子计算机来模拟。这就会带来革命性的进步。
把药物分子与生物受体分子的匹配转化问题转化为图论问题
这个图论问题的数学公式是“哥本哈根式”，正是玻色子取样的计算结果
俺们终于有用了！
最后，值得注意的是，实现量子优越性只是一个阶段性的胜利。
下一步，科学家要研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干具有重大实用价值的问题（如量子化学、新材料设计、优化算法等）。这可能会在未来五年内实现。
再下一步，要大幅度提高可操纵的量子比特的数目（百万量级）和精度（容错阈值 > 99.9%），研制可编程的通用量子计算原型机（经典和量子的算力之争：中国科学家实现“量子计算优越性”里程碑 | 墨子沙龙）。这就非常非常难，可能需要20年或更长（https://zhuanlan.zhihu.com/p/331716655）。
预测未来是困难的。但预测未来的最好方式，就是把它创造出来。
扩展阅读：
《大话量子通信》，张文卓著，人民邮电出版社，2020年6月第一版
陆朝阳『九章』答问：每一个专用机都是量子计算前进路上的垫脚石（https://zhuanlan.zhihu.com/p/331716655）
阅读原文背景简介：本文作者袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。 责任编辑：孙远
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