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[交流] NSR研究论文：寻找量子计算的“称霸标准”——量子霸权离我们有多远

《国家科学评论》（National Science Review, NSR）是我国第一份英文版自然科学综述性学术期刊，报道范围涵盖数理科学、化学科学、生命科学、地球科学、材料科学、信息科学等六大领域。基于科睿唯安发布的2017年度的期刊引证报告（Journal Citation Reports，JCR），NSR的最新影响因子达到9.408，居全球多学科综合类期刊的第六名（9%，Q1）。NSR发表的所有论文全文可以在线免费阅读和下载：https://academic.oup.com/nsr/issue

文章信息
A Benchmark Test of Boson Sampling on Tianhe-2 Supercomputer
Junjie Wu, Yong Liu, Baida Zhang, Xianmin Jin, Yang Wang, Huiquan Wang and Xuejun Yang
Natl Sci Rev 2018; doi: 10.1093/nsr/nwy079
https://doi.org/10.1093/nsr/nwy079

中文简介
从上个世纪八十年代费曼提出量子计算的概念开始，量子计算研究吸引了全球众多的科学家。当前从理论上，我们已经知道量子计算拥有经典计算无法比拟的超强计算能力，比如，能够轻松破译经典计算广泛使用的RSA密码。然而，在物理实验上，到目前为止，还没有任何一台量子装置在实际实验中展现出这种能力，也就是超过最快的经典计算机的能力。美国加州理工学院物理学家John Preskill为这种能力起名“量子霸权（quantum supremacy）”。实现量子霸权，将是量子计算发展的一座重要里程碑，代表超越经典的量子计算能力从理论走进实验，标志一个新的计算能力飞跃时代的开始。值得指出的是，因为并不要求用于展示量子霸权的问题具有任何实际用途，“实现量子霸权”距离“实现实际的量子计算机”尚有很大距离。

近年来，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。因此，“称霸标准”就成为了量子计算领域最重要的科学问题之一。国防科技大学吴俊杰与上海交通大学金贤敏合作，最先开启了“称霸标准”的研究。最近，《国家科学评论》（National Science Review，NSR）以“A Benchmark Test of Boson Sampling on Tianhe-2 Supercomputer”为题正式发表了他们的研究成果（Natl Sci Rev 2018; doi: 10.1093/nsr/nwy079；该文的预印版于2016年6月发表于arXiv, https://arxiv.org/abs/1606.05836），报道了玻色采样案例的“称霸标准”。

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，玻色采样是经典计算难解而量子计算易解的。在该研究论文中，作者在天河2号超级计算机（当时正连续6次排名世界第一）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，并且作者推断出天河2号模拟50个光子的玻色采样需要约100分钟。也就说，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2号超级计算机，实现了量子霸权。

值得一提的是，近年来，另一个量子霸权测试案例——随机量子线路采样问题的研究也有了很大的进展。2016年7月，Google科学家在arXiv上发文，测试了Edison超级计算机（当时排名世界第39）求解随机线路采样问题的性能；次年3月，他们在Nature上发表评论文章，认为49个量子比特、深度为25的随机量子线路是这个案例的“称霸标准”，这掀起了前不久Google、IBM等的“量子霸权争夺战”。2017年10月，IBM科学家改进了模拟算法，将这个案例的“称霸标准”提升至56个量子比特；2018年2月，中科大的科学家再次改进算法，将门槛提升至72个量子比特。

“称霸标准”的研究成果表明，当前实现量子霸权仍绝非易事。英国布里斯托大学、伦敦帝国理工学院、意大利罗马大学等科学家相继发文，引用吴俊杰和金贤敏的研究成果，论证当前的技术水平离实现量子霸权依然存在不小的差距。量子计算的发展仍处于基础研究阶段，量子计算科学家仍然任重而道远！

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