量子霸权

代表量子计算装置在特定测试案例上表现出超越所有经典计算机的计算能力

量子霸权，代表量子计算装置在特定测试案例上表现出超越所有经典计算机的计算能力，实现量子霸权是量子计算发展的重要里程碑。评测称霸标准，需要高效的、运行于经典计算机的量子计算模拟器。在后量子霸权时代，这种模拟器还会成为加速量子计算科学研究的重要工具。

研究背景

随着量子物理装置技术水平的快速发展，实现量子霸权似乎日益临近。称霸标准已成为量子计算领域最重要的科学问题之一。玻色采样问题是一种针对光子（玻色子）系统的量子霸权测试案例。理论上，经典计算机求解玻色采样需要指数量级计算时间，而量子计算只需要多项式量级计算时间。与此同时，相比通用量子计算，玻色采样更容易实现。

研究进展

开启称霸标准研究

国防科技大学吴俊杰团队与上海交通大学金贤敏合作，在国际上最先开启了称霸标准的研究。

2018年9月，《国家科学评论》在线发表了吴俊杰、金贤敏等人的研究成果，报道了玻色采样案例的称霸标准。该项研究中，吴俊杰与金贤敏在“天河二号”超级计算机上完成了玻色采样问题的核心难题——积和式的求解。实际测试的问题规模达到48个光子，并推断出“天河二号”模拟50个光子的玻色采样需要约100分钟。也就是说，一旦实际的量子物理装置实现了每组样本100分钟以内50光子的玻色采样，就在求解这个问题上超过了“天河二号”，实现了量子霸权。

谷歌实现量子霸权

2019年9月20日，多家英媒披露，科技巨头谷歌(Google)一份内部研究报告显示，其研发的量子计算机成功在3分20秒时间内，完成传统计算机需1万年时间处理的问题，并声称是全球首次实现“量子霸权”。

据报道，该报告指出，谷歌研究人员架设出53量子位的量子计算机，并以“悬铃木”为代号。“悬铃木”量子计算机所进行的运算，是要证明一个随机数字生成器符合“随机”的标准。按报告所指，即使是现存最先进的传统超级计算机“Summit”，对量子电路的一个实例取样100万次，亦需时1万年处理，但“悬铃木”仅需200秒便完成运算。

撰写报告的谷歌研究人员认为，虽然“悬铃木”处理的运算无实际意义，但实验结果证明，有运算工作只能够在量子计算机上进行，实现“量子霸权”(quantum supremacy)，若研究报告其后可获学界认可，将成为量子科学的分水岭。

研究人员亦预测，量子计算机的运算能力会呈现“双指数速率增长”，超越“摩尔定律”所指，传统计算机运算能力约两年翻一倍的增长速度。

算出量子霸权标准

2019年11月4日，国防科技大学计算机学院吴俊杰带领的QUANTA团队，联合信息工程大学等国内外科研机构，提出了量子计算模拟的新算法。该算法在“天河二号”超级计算机上的测试性能达到国际领先水平，谷歌的工作也引用了这项结果的预印版论文。2019年11月4日，国际权威期刊《物理评论快报》正式在线发表了该成果。

研究意义

实现量子霸权，将代表超越经典的量子计算能力从理论走进实验，标志着一个新的计算能力飞跃时代的开始。实现量子霸权离实现实际的量子计算机尚有很大距离。当前实现量子霸权绝非易事。

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