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国产量子计算原型机“九章”问世,将参与量子霸权

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量子计算“霸权”的争夺仍在继续,这次,轮到中国的科研团队出牌。

据中新社 12 月 4 日从中国科学技术大学获悉,该校中国科学院院士潘建伟、陆朝阳教授等组成的研究团队与合作者成功构建了 76 个光子的量子计算原型机“九章”。

根据现有理论,在“高斯玻色取样”任务中,“九章”一分钟完成的任务,超级计算机需要一亿年。

“九章”的名字源于《九章算术》,是现存最早的中国古代数学著作之一,标志着中国古代数学体系的形成,是中国古代数学体系的初期代表作,显然,研发团队对“九章”寄予厚望。

国产量子计算原型机“九章”问世,将参与量子霸权

“九章”量子计算原型机光路系统原理图

凌晨 3 点,“九章”相关论文也以 First Release 形式在线发表在 Science,宣布了中国科大在光量子计算方面实现了量子计算“霸权”,审稿人评价该工作是“一个最先进的实验”“一个重大成就”。

所谓“量子霸权”(Quantum supremacy),更准确的翻译是 “量子优势”或“量子优越性”。跟传统意义上的“霸权”没关系,而是用来形容量子计算机相较于传统计算机碾压级别的计算能力优势。

如果量子计算机可以解决经典计算机上无法解决的问题,不论这项任务本身是什么,是否有实际的意义,那么就代表实现了“量子霸权”。

去年 9 月,Google 宣布其已经建造了第一台量子计算机,这款量子计算机展现出来的算力优势相当恐怖,可以在 3 分 20 秒内完成对特定任务的计算,而目前世界排名第一的超级计算机“Summit”需要大约一万年的时间。

而九章更甚,将量子计算 3 分钟与传统超算一万年的对比,升级到了一分钟与一亿年的对比,同时,这也是中国的科研团队第一次实现“量子优越性”,也是继美国之后第二个实现的国家。

此量子计算,非彼量子计算

九章取得的进展令人欣喜,但第一个需要明确的点是,九章不是“量子计算机”。如果你留意相关报道,会发现对于九章的描述都是“量子计算原型机”。

其中的区别是,九章隶属的光量子计算机,本身就是用来计算“高斯玻色采样”的实验设备,它只能干这件事,不具备泛用性。潘建伟院士此前曾表示,通用量子计算机问世可能还需要 15~30 年的时间。

眼下乃至未来很长的一段时间内,量子计算只能作为传统计算机的辅助。

光量子计算机,即操纵光量子比特的原型机,以光子作为载体。

量子通用计算机还太遥远,要想衡量原型机的性能,就需要引入新的评价标准,即特定的实验场景,而光量子计算机擅长的这个实验,就是高斯玻色采样。

这是一块“高尔顿板”,理论上,一个小球从上方的入口掉入后,遇到每一个钉板的“路后”后向左和向右有 1/2 的概率,经过若干个钉板后,进入下方的凹槽。

这实际上是一个统计学问题,根据中心极限定理,当小球足够大时,小球落入凹槽的分布近似于正态分布。

国产量子计算原型机“九章”问世,将参与量子霸权

而“高斯玻色取样”是量子世界中的高尔顿板。潘建伟院士发起、由中国科学技术大学主办的论坛“墨子沙龙”中对于这个实验有过相关解释:

当 n 个全同玻色子经过一个干涉仪(线性变换器)之后,求特定分布的输出概率。例如,在一个7进7出干涉仪的1、2、3口同时输出3个全同玻色子,求3个光子在2、3、5口各输出一个光子的分布概率。

由于量子的特性,导致求解步数与计算难度指数级别增长。

国产量子计算原型机“九章”问世,将参与量子霸权

而光量子计算机在这个项目上可以秒杀传统超算,也因此实现了“量子优越性”。

中科大官方表示:

根据目前最优的经典算法,“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍,等效地比谷歌去年发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。

同时,通过高斯玻色取样证明的量子计算优越性不依赖于样本数量,克服了谷歌53比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。“九章”输出量子态空间规模达到了1030(“悬铃木”输出量子态空间规模是1016,目前全世界的存储容量是1022)。

九章是一个持续迭代的项目。

2017 年 5 月,潘建伟院士及其同事陆朝阳、朱晓波等,联合浙江大学王浩华教授研究组,宣布在去年首次实现十光子纠缠操纵的基础上,利用高品质量子点单光子源构建了世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机,50 量子位。

在超导体系,研究团队打破了之前由谷歌、NASA和UCSB公开报道的九个超导量子比特的操纵,将超导量子比特的操纵提升到十个,实现了目前世界上最大数目超导量子比特的纠缠,并在超导量子处理器上实现了快速求解线性方程组的量子算法。

2019 年 8 月 12 日,该团队开发出具有 20 个超导量子比特的量子芯片,并成功实现对其操控及全局纠缠。

今年 9 月 14 日,潘建伟院士在演讲上向公众透露光量子计算最新进展,刚刚完成了对50个光子的玻色取样,年内将实现 60 比特量子计算系统,将超越谷歌实现的 53 比特量子计算水平。

最终的成果还要更乐观,年底最终实现了 76 量子位的计算原型机,76 这个指标全球第一。

但需要明确的是,Google 去年的“Sycamore”是超导量子,而科大用的是光量子平台,两个平台是完全不同的体系,用来衡量的“尺子”也不同,Sycamore 可以通过编程模拟多种任务,而九章更专,无法直接比较谁更为领先。

“霸权”仍在争夺

尽管九章只针对特定问题,仍有理由为九章起立喝彩,它代表了我国在量子计算方面的大力投入,以及阶段性的成果。在光量子方面,我国科研团队已经在国际上处于领先地位。

量子计算也被放到了很高的优先级上。今年 10 月中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习,习近平在主持学习时发表了讲话。

他指出,近年来,量子科技发展突飞猛进,成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。加快发展量子科技,对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。

2017 年,潘建伟院士曾表示“量子计算机可以实用化,未来全世界会有很多台,但不需要家家都有。”当量子计算机实用化以后,将能解决密码分析、气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探、人工智能、大数据等领域内的难题。

不过要明确的是,量子计算机还远远没到没到可以谈大规模落地的阶段,中科大的文章中也明确“九章为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础”。

研究类似量子计算这种前沿科学,人多钱多,是必不可少的要素。能持续投入研究的国家,一个手就能数得过来。对于还在赛马阶段的技术来说,跑得快就是应用,最重要的任务就是争抢技术高地。从这个角度来看,九章出色地完成了任务,它争夺的,是未来的话语权。

和国内不同的是,在国外,量子计算是科技公司们厮杀的新领域。英特尔、Google、IBM 等科技公司都在竞相投入。Google 去年的 Sycamore 算是抢了个先,IBM 的量子计算机 Q System One 也在各大展会上亮过相,还通过云向外开放计算能力。

也是在今天,英特尔在其研究院开放日上,公布了量子计算方面的新进展,宣布推出第二代低温控制芯片 Horse Ridge II,支持增强的功能和更高集成度,新功能包括操纵和读取量子位状态的能力,以及多个量子位纠缠所需的多个量子门的控制能力。

量子计算仍是通往未来世界的一把钥匙,有国家的科研力量带头,也希望国内的科技公司能够参与进来,投入资金和人力进行研发,共同推进量子计算的建设。
责编AJX

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