瀚海科普 | “九章”是谁？能干啥？我们用漫画告诉你

火车刚发明的时候，连马车的速度都赶不上。

飞机刚发明的时候，只能在天上坚持飞1分钟。

量子计算机刚发明的时候，速度快不到哪儿去，计算过程也坚持不了几分钟，而且最关键的是，不少老百姓心里总是觉得：

那么，量子计算机到底有用嘛？今天，咱们就来说一款，速度快、稳定性高、有潜在应用的新型量子计算装置：九章。

那么，这种装置具体有什么用呢？别急别急，让我先介绍它的原理“高斯玻色采样”，然后再介绍它的潜在用途。

不管是量子计算机，还是普通的经典计算机，它们最基本的原理都是做数学计算。具体来说，你给它们一道题，然后稍微等上一会儿，它们就会给你一个计算结果。

让我们来设想这么一道题。假如我有一大堆小球，把它们一个个地扔进一种叫作“高尔顿板”的装置，其中整整齐齐钉着几十个钉子，下面还有许多出口。

那么，请听题：

如果你数学比较好的话，就会发现，这需要用一个叫作“二项分布”的统计学公式计算。

假如我继续追问，如何计算“二项分布”的统计学公式，你又该怎么办呢？

你也许会想，这还不简单，计算机不就是干这个的吗？只要把“二项分布”公式输入经典计算机，稍微等一会儿，它就会扔给我们一个计算结果。

不过除了这种办法以外，至少还有另外一种办法。就是直接让心灵手巧的人做一块高尔顿板。

然后往里面扔1万次小球。数一数3号口小球的数量，然后就能算出小球掉在3号口的概率。

第一种办法我们可以叫硬算，第二种办法叫采样。

当然，如果不是有特殊需要，绝大多数人都会选择第一种办法。因为它很方便嘛。

但是，如果你扔的不是小球，而是量子力学中的光子呢？情况就完全反转了。这个时候，采样的办法就会比硬算的办法方便很多。

由于光子在量子力学中被归类为“玻色子”。所以，这样的装置就被量子计算专家称为“玻色采样”装置。

说到这儿你可能不信，为啥光子被扔进去以后，问题会变得那么复杂呢？

这还不都是因为量子力学嘛！

量子力学赋予了光子很多匪夷所思的性质。

比方说，如果一个小球从3号出口跑出来，那么它中间走过的路径一定是确定的。

但光子不是这样。不管光子从3号口还是4号口跑出来，它一定是走过了其中所有可能的路径！

而且，这还没有完。

如果小球经过两条可能的路径后，到达了3号出口，那么我们就把两条路径对应的概率直接加起来就可以了。

但光子不是这样。光子的不同路径之间，不但可以相互叠加，也可以相互抵消，具体结果视情况而定，非常复杂。

而且，这还没有完。

如果你每次不是放进去1个光子，而是同时放进去好多个光子。这些光子之间还会产生更复杂的量子统计效应。

这时，要想计算“从N个不同的出口同时跑出光子”的概率，我们刚才说的“二项分布”公式就不管用了，而是要用一种复杂的“积和式”公式来计算。

“积和式”的计算复杂度会随着N的增大而呈指数增长。

假如N的数量很小，咱们用经典计算机就可以凑合着做计算。

但假如出口个数和光子数量稍微变大一点，那么需要计算的“积和式”个数就会非常多，多到全世界的硬盘都装不下。这时，要想用经典计算机来求解光子分布的概率，就只能像刚才的第二种算法一样，进行采样。

另外，对于单个“积和式”，比如N=50，即使是世界上速度最快的超级计算机，也要突突突算上约几个小时，才能完成一次采样。所以，用经典计算机来生成大量样本的方法也是行不通的。

于是，在面对这样的难题时，“玻色采样”装置就有了用武之地。由于它像计算机一样，能够在较高的精度上解决特定的数学问题，同时又应用了光子的量子力学特性，所以可以称作是一种“光量子计算机”。

那么，N > 50 的光量子计算机，物理学家能造出来吗？

虽然前面介绍的这种光量子计算机能解决特定的数学问题，但是这样的数学问题并没有明显的应用价值。所以，能不能把它造出来，并不是我们这篇漫画要关注的问题。

咱们要关注的是有潜在应用的光量子计算机，而这样的光量子计算机的原型机已经有人造出来了。

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功对从前的“玻色采样”装置进行升级，研制出N = 76、具有潜在应用的量子计算原型机：“九章”。

2020年12月4日，《科学》杂志以“First Release”形式发表了该项成果。

“九章”和之前说的玻色采样机的主要区别，在于输入的光子状态。

玻色采样机输入的是一个个独立的光子，而“九章”输入的是一团团相互关联的“量子光波”。

这种“量子光波”有一种神奇的特性。假如你把一团这样的“量子光波”放进采样机中，可能会跑出来2个光子，也可能会跑出来4个光子，也可能会跑出来6个光子……

但后面几种情况发生的概率比较小，所以，这团“量子光波”总体上可以看作是由2个光子组成的。它有一个专门的名字，叫作“压缩光”。

如果设置100个输入口，从中选择50个，分别输入50团“压缩光”，然后在100个出口处摆上探测器，一个高斯玻色采样的量子计算原型机 “九章”就做成了。由于“压缩光”的特殊性质，“九章”最多时可以探测76个光子的采样结果。所以，它相当于一台76个光子的量子计算原型机。

九章的研制体现了两个重要的突破。

首先，它比经典计算机快很多倍，真正体现出了“量子计算优势”。

具体来说，它计算的问题已经不是刚才说的“二项分布”或者“积和式”问题了，而是一种叫作“哥本哈根式”（Hafnian）问题[1]。

这个问题有多复杂呢？研究论文指出，通过计算“哥本哈根式”用于高通量的76光子采样，用我们国家最快的太湖之光超级计算机，需要连续计算25亿年。

而这一切，“九章”只需要200秒就全部完成了。

所以，“九章”体现出了真正的“量子计算优势”。

说到这儿你可能会问，这玩意儿真的有用吗？

最近，一位加拿大计算机学家指出，使用能进行高斯玻色采样的光量子计算机，也许可以帮助生物学家筛选药物分子。

简单来说，一种药物要想起作用，它的分子就得像钥匙搭配锁一样，跟目标生物分子稳定的结合在一起。

但是，要想搞清楚一种药物会不会起作用并不容易。因为药物分子和目标生物的受体分子都是由大团原子组成的三维结构。

两团原子到底能不能配在一起，这是一个非常复杂的量子力学问题，现有的计算机加在一起也不可能算出来。所以，生物学家即使设计出来一大堆药物分子，他们也不可能用经典计算机判断有没有用。

但如果有了光量子计算机就不同了。

计算机学家会把两大团原子的匹配问题，转化成数学中的一种“图论”问题。

如果把这种“图论”问题写成公式，正是我们在上一节提到的“哥本哈根式”。耶，这正是光量子计算机的拿手本领。

现在你相信，光量子计算机有用了吧？

于是，中国物理学家研制出的“九章”，不但体现了真正的“量子计算优势”，而且还是一台具有潜在应用价值的量子计算装置。

其实，老百姓心里嘀咕量子计算到底有没有用，是一件很正常的事。因为量子计算就像任何一种技术一样，需要经历几个不同的阶段才能发展成熟。在初级阶段，量子计算追求的是原理上的可行，实验上的实现，和计算效率的超越。

这个阶段的量子计算，可能就像1814年的火车，和1903年的飞机一样，科学意义大于实用价值。

不管量子计算机现在有多么初级，总有一天，它会像曾经的火车和飞机一样，一步一步向我们走来。

注：

在拉丁文中，丹麦首都哥本哈根叫作Hafnia。所以，本漫画把Hafnian译作哥本哈根式。本实验做算力基准测试时，实际使用的是哥本哈根式的推广，叫作多伦多式（Torontonian）。

参考文献：

1. H.-S. Zhong  et  al., Science, 10.1126 /science.abe8770  (2020).

2. Gard B T, Motes K R, Olson J P, et al. An introduction to boson-sampling[M]//From atomic to mesoscale: The role of quantum coherence in systems of various complexities. 2015: 167-192.

3. Wang H, He Y, Li Y H, et al. High-efficiency multiphoton boson sampling[J]. Nature Photonics, 2017, 11(6): 361-365.

4. Hamilton C S, Kruse R, Sansoni L, et al. Gaussian boson sampling[J]. Physical review letters, 2017, 119(17): 170501.

5. Banchi L, Fingerhuth M, Babej T, et al. Molecular docking with gaussian boson sampling[J]. Science Advances, 2020, 6(23): eaax1950.