出品：科普中国
作者：栾春阳（清华大学物理系）
监制：中国科普博览
2023年10月11日，国际知名物理学术期刊《物理评论快报》刊登了中国研究团队在光量子计算领域的最新研究成果。
来自中国科学技术大学中国科学院量子信息与量子科技创新研究院的潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等人组成的光量子计算研究团队，与中国科学院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心共同合作，成功构建了255个光子的光量子计算原型机“九章三号”，再次刷新了光量子计算机中可控光子数目的世界纪录。
“九章三号”的《物理评论快报》期刊封面
（图片来源：《物理评论快报》网站）
“九章三号”是在之前“九章”系列光量子计算原型机的基础上，进一步发展成熟而来的最新型号，代表了当前光量子计算领域的最高技术水平。
研究结果表明，相较于之前仅有113个光子操纵能力的“九章二号”量子计算原型机，具有255个光子的“九章三号”在处理“高斯玻色采样”这一特定的复杂问题上，运算速度提升了大约一百万倍。
因此，“九章三号”不仅提高了光量子计算机求解复杂问题的能力，还创造了量子计算优越性的最新世界纪录，为最终研制真正实用化的通用量子计算机提供了坚实的技术支撑。
量子计算概念图
（图片来源：veer图库）
那么，到底什么是光量子？光量子是如何参与到运算中，来构成光量子计算机？为何科学家们要特意选择“高斯玻色采样”这一复杂问题进行运算求解？目前的“九章”系列量子计算原型机，又离真正实用化的通用量子计算机还有多远呢？
既熟悉又陌生的“光量子”
光量子也称为光子，能够以光速来传递电磁相互作用，其最早在1905年由阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）提出，并且在1926年被美国科学家吉尔伯特·路易士（Gilbert Lewis）正式命名。
在我们身处的宏观世界中，光是人们最熟悉的事物之一，并且已经发展出几何光学等成熟的物理学分支。在初中物理课堂上，我们学习到了光线的反射和折射现象，这体现了光具有类似于微小颗粒的粒子性；在高中物理课堂上，我们进一步了解了光线还会发生干涉和衍射现象，这表明光是一种电磁波，因而也具有类似于声波或者水波那样的波动性。
也就是说，从我们所处的宏观世界角度来看，光是由极其多数目的光子组成的整体，而这个整体既具有粒子性又具有波动性，也被称为光的“波粒二象性”。
宏观世界中的光线
（图片来源：veer图库）
然而，从微观世界的角度来看，每个光子既不像宏观世界中的声波或者水波那样具有单纯的波动性，也不像尺寸极小的原子或者分子那样具有单纯的粒子性，而是需要采用量子力学中的量子化来进行描述。
量子化是指微观世界中的物质能量，总是只能以最小的能量单位（量子），来一份接一份地非连续性变化。对于光子而言，每个光子就是构成宏观世界中光线的最小单位，并且光线的能量也是由一份接一份的光子能量组成的。
微观世界中光子的概念图
（图片来源：veer图库）
那为什么在我们所处的宏观世界中，总是感觉光线是稳定和连续的，而不是一份一份地变化呢？
这是因为，每个光子的能量极其微小，大约是5×10^19。J。作为对比，我们普通智能手机上的闪光灯功率约为1W，这意味着，手机上的闪光灯仅仅在1秒内就能发出大约2×10^18个光子。因此，在我们所处的宏观世界中难以感受到光子的存在和变化。
光量子计算——潜力无限的未来科技
那么光量子又是如何参与到运算中，来构成光量子计算机的呢？这要从量子计算机说起。
现今生活中，我们所接触到的电脑和计算器等电子设备，仍然属于经典计算机的范畴。随着经典计算机的算力不断接近摩尔定律的极限，只是单纯增加经典计算机的处理器数量，越来越难以适应未来庞大的数据运算需求。
而量子计算机不同于经典计算机，它采用量子力学理论中的并行计算特性，来拥有更加高效的运算性能。
量子计算机采用量子比特作为基本运算单元，每个量子比特可以处于0态和1态的叠加，而非像经典计算机中的只能处于0态或者1态的经典比特。例如，每个量子比特能够以概率P处于0态，同时以概率Q处于1态，只需要保持概率P和Q的总和为1即可。
光量子比特的编码示意图
（图片来源：veer图库）
正是量子比特的独特叠加性，量子计算机可以同时并行处理复杂的运算问题。例如，对于具有N个量子比特的量子计算机而言，其可以同时并行处理2^N个数据，从而在某些特定的问题上展现出指数级别的超强算力。
因此，如何构建出真正实用化的量子计算机这个问题，受到了学术界和工业界的广泛关注，而光量子计算就是其中极具前景的研究领域之一。
光量子计算就是将量子比特的信息编码到每个光子的自由度上。其中，光子的自由度包括偏振、角动量等。（在这里我们不必过于关注光子自由度更加细致的物理概念，只需要了解到，每个光子都可以通过特定的编码方式，来构造成为量子比特即可。）
在具体的实验中，科学家还需要采用各种光学元件和精心设计的光路，来完成光量子比特之间的相互作用，从而实现量子计算过程中的量子比特门的操作。然而，单个光子的能量过于微弱，这就导致实验上很难获取单个光子，同时也难以探测单个光子的微弱信号。
光学实验的示意图
（图片来源：veer图库）
因此，对于光量子计算方案而言，要想真正发挥出光量子计算机的超强算力，我们不仅仅要依次解决面临的许多技术难题，还需要进一步提升光量子比特的可操纵数目，从而为最终构建出实用化的量子计算机做好技术储备。
“九章”系列——屡创光量子计算的佳绩
目前，有望实现通用量子计算机的方案主要包括：超导量子计算、离子阱量子计算、光量子计算等等。
其中，光量子计算机具有一些独特的优势。首先，光量子计算机在室温下就可以正常工作，可以避免低温环境的要求；其次，光子很难与环境中的噪声发生相互作用，因而具有良好的抗噪性；最后，随着光学实验技术的不断提升，未来有望实现更加紧凑和小型化的光量子计算系统。
来自中国科学技术大学的研究团队一直专注于光量子计算系统，不断提升光量子计算方案的整体性能。其中，他们选用高斯玻色采样这一特定复杂问题，来验证光量子计算的量子优越性。（在这里，我们不需要特意深入研究高斯玻色采样，只需要知道这个特定问题特别适用于光量子计算机进行并行加速的量子运算。）
早在2020年，中国科学技术大学的光量子计算研究团队，就成功研发了具有76个光子的“九章”光量子计算原型机。研究结果表明，“九章”光量子计算原型机在处理高斯玻色采样的特定问题上，比当时世界上最快的经典超级计算机“富岳（Fugaku）”快一百万亿倍，在国际上首次在光量子计算领域中验证了量子优越性。
“九章”光量子计算原型机的实验装置图
（图片来源：参考文献[4]）
而在随后的2021年，该团队在“九章”原型机的基础上，进一步将其提升至具有113个光子的“九章二号”光量子计算机。针对高斯玻色采样这一特定问题，“九章二号”的运算处理速度比“九章”快接近一百亿倍。相较于当年世界上最强的经典超级计算机，“九章二号”的运算速度快接近一亿亿亿（10的24次方）倍，从而进一步巩固了光量子计算领域的量子优越性。
“九章二号”光量子计算机实验照片
（图片来源：参考文献[5]）
而最新的“九章三号”光量子计算机具有255个光子的操纵能力，其在高斯玻色采样这一特定复杂问题的求解上，比上一代“九章二号”提升了接近一百万倍。
研究结果表明，“九章三号”在百万分之一秒内就处理完成的复杂运算问题，如果采用当前最强的经典超级计算机“前沿（Frontier）”，则需要花费超过二百亿年的时间。这一突破性的成果不仅仅再次明确了量子计算的优越性，还进一步巩固了我国研究团队在光量子计算领域的国际领先地位。
“九章三号”光量子计算机的光路设计图
（图片来源：参考文献[6]）
结语
综上所述，来自中国的光量子计算研究团队一直专注于提升光量子计算的整体性能，并且在验证量子优越性这一前沿课题上，不断创造出令人瞩目的佳绩。从“九章”到“九章二号”再到“九章三号”的不断突破，表明光量子技术原型机在某些特定的复杂问题求解上，具备经典计算机难以企及的强大算力。
最近二十多年，世界上光量子计算研究团队的可控光子数记录
（图片来源：中国科学技术大学量子物理与量子信息研究部）
但是，我们也需要清醒地认识到，验证量子优越性是一件长期且复杂的前沿课题，需要科学家们不断探索并且解决各种核心技术难题，我们还需要朝着未来真正实用化的量子计算机不断迈进。而我们也坚信，在不久的将来，量子计算的梦想一定会照亮我们的现实。
参考文献
[1] 九章一号：Han-Sen Zhong et al. ,Quantum computational advantage using photons.Science370,1460-1463(2020).DOI:10.1126/science.abe8770
[2] 九章二号：Zhong, Han-Sen et al, Phase-Programmable Gaussian Boson Sampling Using Stimulated Squeezed Light[J]. Phys. Rev. Lett, 2021,127, 180502.
[3] 九章三号：Deng, Yu-Hao et al, Gaussian Boson Sampling with Pseudo-Photon-Number-Resolving Detectors and Quantum Computational Advantage[J]. Phys. Rev. Lett, 2023, 131, 150601.
[4] Zhong H S, Wang H, Deng Y H, et al. Quantum computational advantage using photons[J]. Science, 2020, 370(6523): 1460-1463.
[5] Zhong H S, Deng Y H, Qin J, et al. Phase-programmable gaussian boson sampling using stimulated squeezed light[J]. Physical review letters, 2021, 127(18): 180502.
[6] Deng, Yu-Hao et al, Gaussian Boson Sampling with Pseudo-Photon-Number-Resolving Detectors and Quantum Computational Advantage.[J]. PhysRevLett, 2023, 131.150601.
2023-11-02
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