研究人員尋找量子計算的「稱霸標準」

從20世紀80年代費曼提出量子計算的概念開始，量子計算研究吸引了全球眾多的科學家。當前從理論上，我們已經知道量子計算擁有經典計算無法比擬的超強計算能力，比如，能夠輕鬆破譯經典計算廣泛使用的RSA密碼。然而，在物理實驗上，到目前為止，還沒有任何一台量子裝置在實際實驗中展現出這種能力，也就是超過最快的經典電腦的能力。美國加州理工學院物理學家John Preskill為這種能力起名「量子霸權（quantum supremacy）」。實現量子霸權，將是量子計算髮展的一座重要裡程碑，代表超越經典的量子計算能力從理論走進實驗，標誌一個新的計算能力飛躍時代的開始。值得指出的是，因為並不要求用於展示量子霸權的問題具有任何實際用途，「實現量子霸權」距離「實現實際的量子電腦」尚有很大距離。

近年來，隨著量子物理裝置技術水準的快速發展，「實現量子霸權」似乎日益臨近。因此，「稱霸標準」就成為了量子計算領域最重要的科學問題之一。國防科技大學吳俊傑與上海交通大學金賢敏合作，最先開啟了「稱霸標準」的研究。最近，《國家科學評論》（National Science Review，NSR）以「A Benchmark Test of Boson Sampling on Tianhe-2 Supercomputer」為題正式發表了他們的研究成果（Natl Sci Rev 2018; doi: 10.1093/nsr/nwy079. ；該文的預印版於2016年6月發表於arXiv, ），報導了玻色採樣案例的「稱霸標準」。

玻色採樣問題是一種針對光子（玻色子）系統的量子霸權測試案例。理論上，玻色採樣是經典計算難解而量子計算易解的。在該研究論文中，作者在天河2號超級電腦（當時正連續6次排名世界第一）上完成了玻色採樣問題的核心難題——積和式的求解。實際測試的問題規模達到48個光子，並且作者推斷出天河2號模擬50個光子的玻色採樣需要約100分鐘。也就說，一旦實際的量子物理裝置實現了每組樣本100分鐘以內50光子的玻色採樣，就在求解這個問題上超過了天河2號超級電腦，實現了量子霸權。

值得一提的是，近年來，另一個量子霸權測試案例——隨機量子線路採樣問題的研究也有了很大的進展。2016年7月，Google科學家在arXiv上發文，測試了Edison超級電腦（當時排名世界第39）求解隨機線路採樣問題的性能；次年3月，他們在Nature上發表評論文章，認為49個量子比特、深度為25的隨機量子線路是這個案例的「稱霸標準」，這掀起了前不久Google、IBM等的「量子霸權爭奪戰」。2017年10月，IBM科學家改進了模擬演算法，將這個案例的「稱霸標準」提升至56個量子比特；2018年2月，中科大的科學家再次改進演算法，將門檻提升至72個量子比特。

「稱霸標準」的研究成果表明，當前實現量子霸權仍絕非易事。英國布裡斯託大學、倫敦帝國理工學院、義大利羅馬大學等科學家相繼發文，引用吳俊傑和金賢敏的研究成果，論證當前的技術水準離實現量子霸權依然存在不小的差距。量子計算的發展仍處於基礎研究階段，量子計算科學家仍然任重而道遠！（來源：科學網）