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里程碑式突破 潘建偉團隊解說“九章”量子計算機


在一個特定賽道上,200秒的“量子算力”,相當于目前“最強超算”6億年的計算能力!12月4日,《科學》雜志公布了中國“九章”的重大突破。

這臺由中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等學者研制的76個光子的量子計算原型機,推動全球量子計算的前沿研究達到一個新高度。盡管距離實際應用仍有漫漫長路,但成功實現了“量子計算優越性”的里程碑式突破。

“九章”優勝在何處?里程碑式跨越如何實現?“算力革命”走向何方?記者就這些問題采訪了潘建偉團隊。

算力新高度技術三優勢

“量子優越性”——橫亙在量子計算研究之路上的第一道難關。

這是一個科學術語:作為新生事物的量子計算機,一旦在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機,就證明了量子計算機的優越性,跨過了未來多方面超越傳統計算機的門檻。

多年來,國際學界一直高度關注、期待這個里程碑式轉折點到來。

去年9月,美國谷歌公司宣布研制出53個量子比特的計算機“懸鈴木”,對一個數學問題的計算只需200秒,而當時世界最快的超級計算機“頂峰”需要2天,因此他們在全球首次實現了“量子優越性”。

近期,中科大潘建偉團隊與中科院上海微系統與信息技術研究所、國家并行計算機工程技術研究中心合作,成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”。

“取名‘九章’,是為了紀念中國古代著名數學專著《九章算術》?!迸私▊フf。

實驗顯示,“九章”對經典數學算法高斯玻色取樣的計算速度,比目前世界最快的超算“富岳”快一百萬億倍,從而在全球第二個實現了“量子優越性”。

高斯玻色取樣是一個計算概率分布的算法,可用于編碼和求解多種問題。當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣問題時,“九章”需200秒,而目前世界上最快的超級計算機“富岳”需6億年;當求解100億個樣本時,“九章”需10小時,“富岳”需1200億年。

潘建偉團隊表示,相比“懸鈴木”,“九章”有三大優勢:一是速度更快。雖然算的不是同一個數學問題,但與最快的超算等效比較,“九章”比“懸鈴木”快100億倍。二是環境適應性?!皯意從尽毙枰阆?73.12攝氏度的運行環境,而“九章”除了探測部分需要零下269.12攝氏度的環境外,其他部分可以在室溫下運行。三是彌補了技術漏洞?!皯意從尽敝挥性谛颖镜那闆r下快于超算,“九章”在小樣本和大樣本上均快于超算。

“打個比方,就是谷歌的機器短跑可以跑贏超算,長跑跑不贏;我們的機器短跑和長跑都能跑贏?!彼麄冋f。

20年努力攻克三大技術難關

對于“九章”的突破,《科學》雜志審稿人評價這是“一個最先進的實驗”“一個重大成就”。

多位國際知名專家也給予高度評價?!斑@是量子領域的重大突破,朝著研制比傳統計算機更有優勢的量子設備邁出一大步!我相信成果背后付出了巨大的努力?!钡聡R克斯·普朗克研究所所長伊格納西奧·西拉克說。

美國麻省理工學院教授德克·英格倫認為,這是“一項了不起的成就”“一個劃時代的成果”。

加拿大卡爾加里大學量子研究所所長巴里·桑德斯說,毫無疑問,這個實驗結果遠遠超出了傳統機器的模擬能力。

據了解,潘建偉團隊這次突破歷經了20年努力,從2001年開始組建實驗室,他們曾多次刷新量子糾纏數量的世界紀錄?!熬耪隆钡耐黄?,主要攻克了三大技術難關:高品質量子光源、高精度鎖相技術、規?;缮婕夹g。

其中的高品質量子光源,是目前國際上唯一同時具備高效率、高全同性、高亮度和大規模擴展能力的量子光源?!氨热缯f,我們每次喝下一口水很容易,但要每次喝下一個水分子非常困難?!敝锌拼蠼淌陉懗栒f,高品質光源要保證每次只“放出”1個光子,且每個光子要一模一樣,這是巨大挑戰。同時,鎖相精度要控制在10的負9次方以內,相當于傳輸一百公里距離,偏差不能超過一根頭發絲的直徑。

此外,為了核驗“九章”算得“準不準”,他們用超算同步驗證?!?0個、20個光子的時候,結果都能對得上,到40個光子的時候超算就比較吃力了,而‘九章’一直算到了76個光子?!标懗栒f,另一方面,超算的耗電量太大,計算40個光子時需要電費200萬元,41個光子需要400萬元,42個光子需要800萬元,推算下去將是天文數字。

“算力革命”躍馬人類未來

當前,量子計算已成為全球各國競相角逐的焦點。比如近期,歐盟宣布擬投資80億歐元,研究量子計算等新一代算力技術。

“量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力,可望通過特定算法在密碼破譯、大數據優化、天氣預報、材料設計、藥物分析等領域,提供比傳統計算機更強的算力支持?!迸私▊フf。

據了解,國際主流觀點認為,量子計算機的發展將有三個階段:

第一階段,研制50個到100個量子比特的專用量子計算機,實現“量子優越性”里程碑式突破。

第二階段,研制可操縱數百個量子比特的量子模擬機,解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題,比如量子化學、新材料設計、優化算法等。

第三階段,大幅提高量子比特的操縱精度、集成數量和容錯能力,研制可編程的通用量子計算原型機。

目前,“九章”還處在第一階段,但在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用價值。

潘建偉團隊表示,“量子優越性”實驗并非一蹴而就的工作,而是更快的經典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭,但最終量子計算機會產生傳統計算機無法企及的算力。下一步,他們將在光子、超導、冷原子等多條技術線路上推進研究。

“我對量子計算的前景非常樂觀,世界上有很多聰明人在做這件事,包括我的中國同事們?!眾W地利科學院院長、美國科學院院士安東·塞林格預測,很有可能有朝一日量子計算機會被廣泛推廣,“每個人都可以使用”。


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