有史以来第一次，一台由光子——光粒子——制成的量子计算机，其性能甚至超越了最快的经典超级计算机。
由中国科学技术大学（USTC）的陆朝阳和潘建伟领导的物理学家们，在合肥，用他们的量子计算机“九章”*进行了一种名为高斯玻色取样的技术。结果发表在《科学》杂志上，探测到76个光子——远远超过了之前5个探测光子的记录以及经典超级计算机的能力。
与由硅处理器构建的传统计算机不同，“九章”是一个由激光器、反射镜、棱镜和光子探测器组成的精巧的桌面装置。它不是一台有一天可以发送电子邮件或存储文件的通用计算机，但它确实展示了量子计算的潜力。
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去年，当谷歌的量子计算机“西克莫”大约用三分钟完成了超级计算机需要三天（或10000年，取决于您的估算方法）才能完成的任务时，成为了头条新闻。在他们的论文中，中国科学技术大学团队估计，世界排名第三的超级计算机“神威·太湖之光”需要惊人的25亿年才能完成与“九章”相同的计算。
这是量子霸权的第二次演示，这个术语描述的是量子计算机在速度上呈指数级超越任何经典计算机，有效地完成了原本在计算上几乎不可能完成的任务的那个点。这不仅仅是原理验证；也有一些迹象表明，高斯玻色取样可能具有实际应用，例如解决量子化学和数学中特定的问题。更广泛地说，控制光子作为量子比特是任何大规模量子互联网的先决条件。（量子比特是量子位，类似于经典计算中用于表示信息的比特。）
“这件事会发生并非显而易见，”斯科特·阿伦森说，他是一位理论计算机科学家，现在在德克萨斯大学奥斯汀分校，他与当时的*学生*亚历克斯·阿基波夫在2011年首次概述了玻色取样的基本原理。玻色取样实验多年来一直停留在大约三到五个探测光子的水平，根据阿伦森的说法，这与量子霸权“相去甚远”。“扩大规模很难，”他说。“向他们致敬。”
在过去的几年里，量子计算已经从默默无闻发展成为一个价值数十亿美元的企业，其潜在影响得到了国家安全、全球经济以及物理学和计算机科学基础领域的认可。2019年，美国国家量子倡议法案签署成为法律，在未来10年内向量子技术投资超过12亿美元。该领域也受到了相当多的炒作，出现了一些不切实际的时间表和关于量子计算机将使经典计算机完全过时的夸大言论。
中国科学技术大学团队的这项最新的量子计算潜力演示至关重要，因为它与谷歌的方法截然不同。“西克莫”使用金属超导环路来形成量子比特；在“九章”中，光子本身就是量子比特。即使在完全不同的硬件上，量子计算原理也能导致量子霸权的独立证实，“使我们有信心，从长远来看，最终，有用的量子模拟器和容错量子计算机将成为可能，”陆朝阳说。
光取样
为什么量子计算机具有巨大的潜力？考虑一下著名的双缝实验，其中一个光子射向一个带有两条狭缝A和B的屏障。光子不是穿过A，也不是穿过B。相反，双缝实验表明，光子存在于一种“叠加态”，或者说是同时穿过A和B的可能性组合。理论上，利用叠加等量子特性，量子计算机在应用于某些特定问题时，可以实现相对于经典计算机的指数级加速。
21世纪初的物理学家们对利用光子的量子特性制造量子计算机很感兴趣，部分原因是光子可以在室温下充当量子比特，因此不需要像其他量子计算方案那样，花费高昂的成本将系统冷却到几开尔文（约零下455华氏度）。但很快就变得明显，构建通用光子量子计算机是不可行的。即使要构建一台可用的量子计算机，也需要数百万个激光器和其他光学器件。因此，用光子实现量子霸权似乎遥不可及。
然后，在2011年，阿伦森和阿基波夫提出了玻色取样的概念，展示了如何用由少量激光器、反射镜、棱镜和光子探测器组成的有限量子计算机来完成玻色取样。突然，光子量子计算机有了一条展示它们可以比经典计算机更快的途径。
玻色取样的装置类似于一种叫做弹珠机的玩具，它只是一个钉板，上面覆盖着一层透明玻璃板。小球从顶部掉入钉子的行中。在它们向下移动的过程中，它们会从钉子上和彼此之间弹开，直到落到底部的槽中。在经典计算机上模拟槽中球的分布相对容易。
玻色取样使用光子代替小球，并用反射镜和棱镜代替钉子。来自激光器的光子从反射镜上弹开，穿过棱镜，直到它们落入“槽”中被探测到。与经典小球不同，光子的量子特性导致可能的分布数量呈指数级增长。
玻色取样解决的问题本质上是“光子的分布是什么？”玻色取样是一台量子计算机，它通过成为光子的分布来解决自身问题。与此同时，经典计算机必须通过计算矩阵的“积和式”来计算光子的分布。对于两个光子的输入，这只是一个涉及二乘二数组的简短计算。但是，随着光子输入和探测器数量的增加，数组的大小也会增长，呈指数级地增加问题的计算难度。
去年，中国科学技术大学团队演示了用14个探测光子进行玻色取样——对于笔记本电脑来说很难计算，但对于超级计算机来说很容易。为了扩展到量子霸权，他们使用了一种稍微不同的协议，即高斯玻色取样。
根据德国帕德博恩大学的量子光学专家克里斯汀·西尔伯霍恩（她是高斯玻色取样的共同开发者之一）的说法，这项技术旨在避免阿伦森和阿基波夫的“普通”玻色取样中使用的不可靠的单光子。
“我真的想让它实用化，”她说，“这是一个专门针对你在实验中可以做什么的方案。”
即便如此，她也承认中国科学技术大学的装置非常复杂。“九章”从一个激光器开始，激光器被分成光束，照射到25个由钛酸氧钾制成的晶体上。每次晶体被击中后，它都会可靠地向相反方向喷射出两个光子。然后，光子被送到100个输入端，在那里它们在由300个棱镜和75个反射镜组成的轨道中竞速。最后，光子落入100个槽中被探测到。通过平均200秒的运行时间，中国科学技术大学团队每次运行探测到约43个光子。但在一次运行中，他们观察到76个光子——足以证明他们的量子霸权主张是合理的。
很难估计超级计算机需要多少时间来解决一个包含76个探测光子的分布——很大程度上是因为花费25亿年运行超级计算机来直接检查它并不完全可行。相反，研究人员从经典计算较少数量探测光子所需的时间中推断出来。研究人员声称，在最好的情况下，解决50个光子的分布需要超级计算机两天时间，这远远慢于“九章”200秒的运行时间。
玻色取样方案多年来一直停留在低光子数量，因为它们非常难以扩展。为了保持敏感的量子排列，光子必须保持不可区分。想象一场赛马，所有的马都必须完全在同一时间从起跑门释放，并同时到达终点线。不幸的是，光子比马匹更不可靠。
当“九章”中的光子行进22米的路程时，它们的位置差异不能超过25纳米。这相当于100匹马跑100公里，并且在终点线上的差距不超过一根头发丝的宽度，陆朝阳说。
量子探索
中国科学技术大学的量子计算机以“九章”命名，取自《九章算术》，这是一部中国古代典籍，其影响可与欧几里得的《几何原本》相媲美。
量子计算也面临着许多曲折。陆朝阳表示，超越经典计算机不是一劳永逸的事情，而将是一场持续的竞争，看看经典算法和计算机是否能够赶上，或者量子计算机是否能够保持他们已经夺取的霸权。
事情不太可能是静态的。10月底，加拿大量子计算初创公司Xanadu的研究人员发现了一种算法，可以将某些玻色取样实验的经典模拟时间缩短为原来的平方根。换句话说，如果之前50个探测光子足以实现量子霸权，那么现在就需要100个。
对于像阿伦森这样的理论计算机科学家来说，这个结果令人兴奋，因为它有助于进一步证明扩展的丘奇-图灵论题是错误的，该论题认为任何物理系统都可以在经典计算机上有效地模拟。
“从最广泛的层面来说，如果我们把宇宙看作一台计算机，那么它是什么类型的计算机呢？”阿伦森说。“它是经典计算机？还是量子计算机？”
到目前为止，宇宙，就像我们试图制造的计算机一样，似乎顽固地保持着量子性。
*编者注（2021年12月20日）：此句在发布后进行了编辑，以更正中国科学技术大学的所在地。