在量子計算領(lǐng)域，我國再次實現(xiàn)了里程碑式的重大突破!
12 月 4 日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，該校中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了 76 個光子 100 個模式的量子計算原型機(jī) “九章”。
這一成果，使得我國成功達(dá)到了量子計算研究的第一個里程碑——量子計算優(yōu)越性(Quantum Supremacy，國外也稱之為 “量子霸權(quán)”)。
值得一提的是，相關(guān)的論文已經(jīng)于 12 月 3 日在線發(fā)表在國際知名的學(xué)術(shù)期刊《Science》上。
1、比當(dāng)前最快超級計算機(jī)，快一百萬億倍
那么，量子計算原型機(jī) "九章" 有多牛呢?
按官方說法，根據(jù)現(xiàn)有理論，該量子計算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣(Gaussian Boson Sampling)的速度，比目前世界上最快的超級計算機(jī)快一百萬億倍。
據(jù)《知識分子》報道，“高斯玻色采樣” 是一種復(fù)雜的采樣計算，其計算難度呈指數(shù)增長，很容易超出目前超級計算機(jī)的計算能力，適合量子計算機(jī)來探索解決。它是 “玻色采樣” 問題的一種，而玻色采樣問題是量子信息領(lǐng)域第一個在數(shù)學(xué)上被嚴(yán)格證明可以用來演示量子計算加速的算法。
實驗顯示，當(dāng)求解 5000 萬個樣本的高斯玻色取樣時，“九章”需 200 秒，而目前世界最快的超級計算機(jī) “富岳”需 6 億年。
不僅如此，"九章" 的表現(xiàn)，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了 Google 去年發(fā)布的量子計算成果。
據(jù)了解，2019 年 9 月，Google 宣布實現(xiàn)量子優(yōu)越性，具體來說，Google 在一臺 53 比特的量子計算機(jī)上僅用 3 分 20 秒便完成了在超級計算機(jī)上需要一萬年的計算。當(dāng)時，這被認(rèn)為是量子計算領(lǐng)域的一次巨大突破，一些圈內(nèi)人士紛紛表示 「或?qū)⒂瓉硐乱徊萍祭顺薄埂?/p>
然而，從最新的數(shù)據(jù)來看，"九章" 的速度比去年 Google 發(fā)布的 53 個超導(dǎo)比特量子計算原型機(jī) “懸鈴木”(sycamore)快 100 億倍——這也說明，我國量子計算機(jī)算力已經(jīng)實現(xiàn)全球領(lǐng)先。
同時，"九章" 通過高斯玻色取樣證明的量子計算優(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量，克服了 Google 53 比特隨機(jī)線路取樣實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。“九章”輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)到了 10 的 30 次方(“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)模是 10 的 16 次方，目前全世界的存儲容量是 10 的 22 次方)。
總體來看，該成果牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，為未來實現(xiàn)可解決具有重大實用價值問題的規(guī)模化量子模擬機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
此外，基于 “九章”量子計算原型機(jī)的高斯玻色取樣算法在圖論、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。
2、"九章" 是如何構(gòu)建的?
當(dāng)前，研制量子計算機(jī)已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一，成為歐美各發(fā)達(dá)國家角逐的焦點。
為什么量子計算機(jī)這么重要?
據(jù)了解，量子計算機(jī)在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟(jì)價值的問題方面(如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計、藥物分析等)相比經(jīng)典計算機(jī)實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。
需要說明的是，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊一直在光量子信息處理方面處于國際領(lǐng)先水平。
比如說，早在 2017 年，該團(tuán)隊就已經(jīng)構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)(ENIAC)的光量子計算原型機(jī)，2019 年，團(tuán)隊研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實現(xiàn)了 20 光子輸入 60 模式干涉線路的玻色取樣，輸出復(fù)雜度相當(dāng)于 48 個量子比特的希爾伯特態(tài)空間，逼近了 “量子計算優(yōu)越性”。
這一次，該團(tuán)隊通過自主研制同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴(kuò)展能力的量子光源，同時滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機(jī)矩陣、波包重合度優(yōu)于 99.5%、通過率優(yōu)于 98% 的 100 模式干涉線路，相對光程 10-9 以內(nèi)的鎖相精度，高效率 100 通道超導(dǎo)納米線單光子探測器，成功構(gòu)建了 76 個光子 100 個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機(jī)。
該原型機(jī)被命名為 “九章”，這一命名是為了紀(jì)念中國古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。
不過，需要說明的是，其中，量子計算機(jī)發(fā)展分為三個階段，其中第一個階段是發(fā)展具備 50-100 個量子比特的高精度專用量子計算機(jī)，對于一些超級計算機(jī)無法解決的高復(fù)雜度特定問題實現(xiàn)高效求解，實現(xiàn)計算科學(xué)中 “量子計算優(yōu)越性”的里程碑。
目前，"九章" 還處于第一階段。
而第三個階段的最終目標(biāo)，則是實現(xiàn)可編程的通用量子計算原型機(jī)。
3、《科學(xué)》雜志：這是一個最先進(jìn)的實驗
據(jù)了解，12 月 3 日，上述學(xué)術(shù)成果已經(jīng)在美國《科學(xué)》雜志的網(wǎng)站上在線發(fā)表，標(biāo)題為《Quantum computational advantage using photons》。
那么，同行人員是怎么說的呢?
據(jù)《科學(xué)》雜志的審稿人評價稱，該工作是 “一個最先進(jìn)的實驗”(a state-of-the-art experiment)，“一個重大成就”(a major achievement)。
對于這一成就，德國馬克斯 · 普朗克量子光學(xué)研究所所長、沃爾夫獎得主、富蘭克林獎?wù)碌弥?Ignacio Cirac 表示：
總體來說，這是量子科技領(lǐng)域的一個重大突破，朝著研制相比經(jīng)典計算機(jī)具有量子優(yōu)勢的量子設(shè)備邁出了一大步。我相信這項成果背后付出了巨大的技術(shù)努力。潘教授的團(tuán)隊在世界上獨一無二的，他們產(chǎn)生了包括這個實驗在內(nèi)的很多重大成果。
麻省理工學(xué)院副教授、美國青年科學(xué)家總統(tǒng)獎得主、斯隆獎得主 Dirk Englund 評價稱：
這是一個劃時代的成果。這是一個了不起的成就。這是開發(fā)這些中型量子計算機(jī)的里程碑。
維也納大學(xué)教授、美國物理學(xué)會會士 Philip Walther 表示：
他們在實驗中拿到了目前最強(qiáng)經(jīng)典計算機(jī)萬億年才能給出的計算結(jié)果，為量子計算機(jī)的超強(qiáng)能力給出了強(qiáng)有力的證明。
加拿大卡爾加里大學(xué)教授、量子科學(xué)和技術(shù)研究所所長 Barry Sanders 表示：
我認(rèn)為這是一項杰出的工作，改變了當(dāng)前的格局 ( It’s the game changer)。我們一直努力證明量子信息處理可以戰(zhàn)勝經(jīng)典的信息處理。這個實驗使經(jīng)典計算機(jī)望塵莫及。
去年，谷歌取得了一項巨大的成果，即量子計算優(yōu)越性，但這是有爭議的…… 這個實驗(潘建偉院士團(tuán)隊的實驗)不存在爭論，毫無疑問，該實驗取得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)器的模擬能力。
昆士蘭大學(xué)教授 Tim Ralph 也表示：
這是一個真正的 “英雄”實驗，將實驗各個方面的技術(shù)推進(jìn)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以前的水平。該設(shè)備的規(guī)模是非凡的：100 模式干涉儀、25 個壓縮器提供輸入的量子態(tài)、使用 100 個單光子探測器進(jìn)行探測，并且實現(xiàn)了同時保持高效率，穩(wěn)定性和量子不可分辨性——這都是展示量子計算優(yōu)越性所必須的。
此外，還有來自美國科學(xué)院、瑞典皇家理工學(xué)院、美國耶魯大學(xué)、英國劍橋大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的專家，對于上述量子科學(xué)領(lǐng)域的最新成果都給予了高度評價。
4、小結(jié)
眼下，量子計算還在科學(xué)研究領(lǐng)域不斷突破，但要從實驗室走向生活，還有很遠(yuǎn)的距離。
對此，上述成果的參與者陸朝陽教授在接受《知識分子》采訪時表示，希望這個工作能夠激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作，也預(yù)計將來會有提升的空間，量子優(yōu)越性實驗并不是一個一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭，但最終量子并行性會產(chǎn)生經(jīng)典計算機(jī)無法企及的算力。
他還表示：
就像人們對激光的認(rèn)識，從最初實驗室里的工具到許多意想不到的領(lǐng)域中的應(yīng)用，量子計算機(jī)也許會遵循相似的路徑。在五年內(nèi)，控制數(shù)百到數(shù)萬個量子比特的技術(shù)將成為現(xiàn)實，因此產(chǎn)生的量子模擬器和專用量子計算機(jī)或?qū)⒊蔀槲锢韺W(xué)家、化學(xué)家和工程師在材料應(yīng)用和藥物設(shè)計方面的重要工具。
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