潘建伟发表了哪些论文

在200秒时间内，76个光子穿过中国科学技术大学潘建伟团队精心构筑的光学网络，完成了5000万个样本的高斯玻色采样。而同样一道数学题交给世界上最顶尖的超级计算机，需要6亿年。

这个于12月4日揭开面纱的光量子计算模型机名为“九章”，是世界上第二次达到加州理工学院教授普雷斯基尔提出的“量子霸权”（Quantum supremacy）标准的量子计算实验。“量子霸权”亦称为“量子优越性”（Quamtum advantage），即量子计算机在特定问题上超越世界上性能最好的经典计算机。

事实上，中科院院士潘建伟早在9月份的西湖大学公开课演讲上就曾“剧透”过这一成果。他当时表示：“近期已经完成50个光子的高斯玻色采样，按照现在的初步估计和数据分析，应该能够比谷歌的量子优越性大概快100万倍。”

世界上首个宣布实现量子优越性的是美国谷歌公司。2019年，谷歌使用了53个超导量子比特制作了一台名为Sycamore的处理器，运行随机量子线路进行采样，耗时约200秒可进行100万次采样。而最强超算、 美国橡树岭国家实验室Summit计算机得到同样结果需要花上一年，差距约十亿（10的9次方）倍。

而这次，潘建伟团队构筑的“九章”与顶级超算的差距超过了百万亿（10的14次方）倍。

当然，潘建伟团队的光量子计算机和谷歌的超导量子计算机路径不同，任务也各有所长。玻色采样和随机路线采样分别是两者最擅长的问题，而且目前还不具备实际应用意义。

可以说，量子优越性是以量子计算机之长，比超算之短的“表演赛”，并不意味着经典计算机就要被淘汰了。不过，量子优越性确实是关键的里程碑，为未来量子计算机走向实用性问题奠定基础。

实现量子优越性也需许多理论与工程难题，相关知识技术更是具备丰富的潜在价值。那么，玻色采样究竟是一个怎样的问题？潘建伟团队如何取得了此次突破？

相关论文题为《基于光子的量子计算优越性》（Quantum computational advantage using photons）、于北京时间12月4日03：00发表在世界顶级学术期刊《科学》（Science）上。

论文摘要显示，研究团队将50全同单模压缩态输入100模式超低损耗干涉线路，利用100个高效单光子探测器进行高斯玻色采样，输出态空间维度达到了10的30次方，采样速率比最先进的超级计算机要快上10的14次方倍。

什么是玻色采样？

我们知道，在设计建筑、飞机的时候，工程师们需要用计算机来进行各种计算和模拟。而如果我们要研究的是微观世界的“量子建筑”呢？

其中微观粒子复杂的变化和相互作用，远远超过了经典计算机的能力范围。最好，是用量子的方式来模拟量子问题。

这就是著名物理学家理查德·费曼在1980年代提出的量子计算机构想：“自然不是经典的，如果你想对自然进行模拟，那么你最好把计算机给量子化。”

大家普遍认为，玻色采样就是这样一个适于量子计算机发挥的任务。它是将非经典光输入线性光学网络后，用单光子探测器来探测输出光子的数量、路径和纠缠态，其结果是高度随机的。

我们可以借助研究随机分布的“高尔顿钉板”实验来理解玻色采样。

一颗直径略小于两颗钉子间距的小圆球在钉板上向下滚落，碰到钉子后皆以1/2的概率向左或向右滚下，接着又碰到下一层钉子。如此继续下去，直到从底板的一个出口滚出为止。把许多同样的小球不断从入口处放下，只要球的数目相当大，它们在底板将堆成近似于正态的密度函数图形，即中间高，两头低，呈左右对称的古钟型。

而在玻色采样问题上，全同光子就是小球，分束器就是钉子，线性光学网络就是钉板。当一束光通过分束器时会被分成两束强度较低的光，一束透射，另一束反射。计算在n个全同玻色子经过网络后，特定一种输出结果的概率（例如输入3个光子后，分别在1号、3号、4号“出口”输出），就是玻色采样问题。

科学家们计算后认为，该问题的经典最优解法随着光子数的增加求解步数呈指数上涨。光量子计算机在中小规模下就可以打败超级计算机。

那么，谷歌超导量子计算所进行的随机线路采样也是一个能充分展现量子优越性的问题，光子玻色采样相较之下有何特别？

潘建伟团队论文引述了一种观点，即改进经典算法后，超算只需要数天就能像Sycamore一样进行100万次随机线路采样。这样的话，如果样本数量足够大，比如到了10的10次方的话，入股有足够的存储空间，量子优势将被逆转。

而光量子计算机在玻色采样上就不存在这种依赖于样本大小的漏洞，因为经典算法针对玻色采样存在一个固定的限制。除此之外，光子进行玻色采样可以在室温下工作，不容易受到干扰。

攻克的关卡

根据实际需要，玻色取样逐渐衍生出了各种变体。潘建伟团队此次采用了一种高斯玻色采样变体，它在一些图形问题和量子化学领域有着潜在的应用。高斯玻色采样使用所有处于压缩态的光子，且允许使用更高的抽运功率，使得其同样在事件发生率上具有指数优势。

尽管这是一个为光量子计算机量身定制的挑战，如何将玻色采样的规模放大到一个计算上有意义的区间仍有许多挑战。

论文提到了研究团队需要攻克的五大“关卡”：

首先，它需要单模压缩态同时具备足够高的压缩参数、光子全同性和采集效率；

其次，它需要大型干涉仪同时具备完全连通性、矩阵随机性、近似完美波包重叠和相位稳定，以及近统一传输速率；

第三，它需要对单模压缩态中的所有光子数状态实现相位控制；

第四，它需要高效探测器采集输出分布；

最后，从巨大的输出态空间获得的稀少样本需要被验证，并且表现要与超级计算机形成比较。

为此，潘建伟光量子计算团队已经进行了多年的“打怪升级”。2013年，他们在国际上首创量子点脉冲共振激发，解决了单光子源的确定性和高品质这两个基本问题；2016年， 产生了国际最高效率的全同单光子源，并于2017年初步应用于构建超越早期经典计算能力的针对波色取样问题的光量子计算原型机，其取样速率比国际上当时的实验提高24000多倍。

2019年，中国科大研究组在实验上同时解决了单光子源所存在的混合偏振和激光背景散射这两个最后的难题：成功研制出了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的单光子源。在此基础上，他们在国际上首次实现了20光子输入60 60模式干涉线路的玻色取样量子计算，输出态空间维数比国际同行之前的光量子计算实验高百亿倍，逼近量子优越性，完成了临门一脚的预演。

校对：张亮亮

一周内两次登上国际科学期刊，中科大潘建伟团队太“忙”了！

6 月 15 日，《Nature》杂志刊登了潘建伟团队主导的量子通信研究《基于纠缠的千公里级安全量子加密》。

6 月 18 日，《Science》杂志以“First Release”形式刊登了潘建伟、苑震生在超冷原子量子计算和模拟研究的最新进展，题为“Cooling and entangling ultracold atoms in optical lattices”《在光学晶格中冷却和纠缠超低温原子》。

雷锋网注：图片截自 Science

在后者这项研究中，研究人员实验了首次提出的冷却新机制，实验后使系统的熵 降低了 65 倍 ，达到了创纪录的低熵。

在此基础上，研究团队在光晶格中 首次实现了 1250 对原子高保真度纠缠态的同步制备，保真度为 99.3%。

在量子计算领域，量子纠缠被视为核心资源，随纠缠比特数目的增长，量子计算的能力也将呈指数增长。

因此， 大规模纠缠态的制备、测量和相干操控成为了量子计算研究的核心问题。

通常情况下，实现大规模纠缠态要先同步制备大量纠缠粒子对，再通过量子逻辑门操作将其连接形成多粒子纠缠。

由此， 高品质纠缠粒子对的同步制备是实现大规模纠缠态的首要条件。

在实现量子比特的物理体系中，由于具备良好的可升扩展性和高精度的量子操控性，光晶格超冷原子比特和超导比特被视为最可能率先实现规模化量子纠缠的系统。

早在 2010 年，中科大研究团队就与德国海德堡大学展开了合作，对基于超冷原子光晶格的可拓展量子信息处理展开联合攻关。

研究人员开发了具有自旋依赖特性的超晶格系统，形成了一系列并行的双阱势。

不仅如此，每个双阱势用光场产生了有效磁场梯度，结合微波场，实现了对超晶格中左右格点及两种原子自旋等自由度的高保真度量子调控。

据量子物理和量子信息研究部的说法，在早期研究中，研究团队使用 Rb-87 超冷原子制备了 600 多对保真度为 79% 的超冷原子纠缠态并使用该体系调控特殊的环交换相互作用产生四体纠缠态，模拟了拓扑量子计算中的任意子激发模型。

但由于 晶格中原子的温度偏高，使其填充缺陷大于 10%， 不利于形成更大的多原子纠缠态和提升纠缠保真度。

因此，光晶格超冷原子比特系统需要进一步提升。

论文指出，研究团队首次提出了新制冷机制，即利用交错式晶格结构将处在绝缘态的冷原子浸泡到超流态中，通过绝缘态和超流态之间高效率的原子和熵的交换，以超流态低能激发的形式存储系统中的热量，再用精确的调控手段移除超流态，从而获得低熵的填充晶格。

基于此，研究人员在一个具有 10000 个原子的量子模拟器展开了实验。在二维平面上，研究人员将莫脱绝缘体样品浸泡在可移动的超流体储层中使其冷却。

雷锋网注：图为光晶格中原子冷却的示意图

结果显示，制冷后使系统的熵达到了创纪录的低熵， 降低了 65 倍 ，不仅如此， 晶格中原子填充率大幅提高到 99.9% 以上，达到近乎完美的程度。

在这一制冷基础上，研究人员进一步推进研究。

研究人员开发了两原子比特高速纠缠门，最终 获得了纠缠保真度为 99.3% 的 1250 对纠缠原子。

对此，研究人员表示，其研究为 探索 低能量多体相提供了一个环境，使产生大规模的纠缠更具可能性。

另外，对于这一研究结果，《Science》杂志的审稿人给与了正面评价：

超冷原子量子计算和模拟研究之所以能取得新突破，离不开以潘建伟、苑震生为主导的研究团队，而从其过往的研究经历来看，二位来头不小。

潘建伟

潘建伟，有“量子之父”之称，是“墨子号”的首席科学家。主要从事量子物理和量子信息等方面的研究，是国际上量子信息实验研究领域开拓者之一，同时也是该领域具有重要国际影响力的科学家。

虽然一周连登两次国际期刊，但潘建伟的高光，远不止如此；不仅多次登上国际期刊，还屡次创下记录，主要包括：

苑震生

苑震生，中国科学技术大学教授，其研究方向包括超冷原子量子调控、量子光学，以及原子分子物理。

据量子物理与量子信息研究部官方介绍，苑震生教授在国际权威学术期刊上发表研究论文多达 40 余篇，总引用 2000 次。

其中包括：

·······

尽管这些“最可爱的人”已取得了许多成就，但他们仍未停歇，不断用新的研究成果刷新着我国在量子计算和模拟的进步。

期待更多的研究成果的发布，雷锋网也将持续关注。

参考资料：雷锋网

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