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潘建伟师徒详解:实现“量子霸权”,中国“九章”何以后来居上?

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  ▲陆朝阳介绍“九章”最新进展(许琦敏/摄)

  继谷歌去年10月宣布“量子称霸”之后,今天,中国在世界上宣布实现“量子计算优越性”里程碑,以76个光子、不依赖于样本数量的更强姿态,登上《科学》杂志。

  76个光子,比谷歌“悬铃木”快一百亿倍,比最强的超级计算机快一百万亿倍——“九章”量子计算原型机的诞生,是否意味着我国在“量子争霸”上已经取得胜利?人类是否马上就要进入量子计算的时代了?我们可以用它来做些什么?

  在“九章”的诞生地——中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心,中科院院士潘建伟和陆朝阳教授以论文通讯作者的身份,接受了本报记者专访。

  76个光子有多快?能干嘛?

  “自主研发”成为后来居上之关键

  76个光子100个模式的“九章”,其算力究竟有多强?先来看一组数据:在室温条件下运行(除光子探测部分需4K低温),计算玻色采样问题,“九章”处理5000万个样本只需200秒,超级计算机需要6亿年;处理100亿个样本,“九章”只需10小时,超级计算机需要1200亿年——而宇宙诞生至今不过约137亿年。

  由于采用超导体系,谷歌53个量子比特的“悬铃木”由于采用超导体系,必须全程在-273.12℃(30mK)的超低温环境下运行,而且在计算随机线路采样问题上,存在样本数量的漏洞:同样处理100万个样本,“悬铃木”只需200秒,的确比超级计算机的2天要快很多。可当处理100亿个样本时,“悬铃木”要花上20天,反而不如经典计算机快。

  

  “虽然‘九章’和‘悬铃木’分别被设计用来处理不同问题,但如果都和超算比的话,‘九章’等效地比‘悬铃木’快了一百亿倍,且克服了样本数量依赖的缺陷。”陆朝阳说,由于操纵量子比特数量的大幅增加,“九章”的输出态空间(量子纠缠可能出现的状态)达到了10的30次方——如果要将这些状态全部纪录下来,目前世界上所有内存硬盘光盘全部用上也不够。而“悬铃木”的输出态空间为10的16次方,两者相差了十几个数量级,这也是导致“悬铃木”未能充分体现“量子计算优越性”的原因之一。

  实际上,就在去年谷歌宣布“悬铃木”的同期,潘建伟团队已经实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样,输出复杂度相当于48个量子比特的输出态空间,逼近了“量子计算优越性”。此后,团队与中科院上海微系统与信息技术研究所合作,自主研发出高性能光子探测器,实现了后来居上。

  短短一年,“九章”所用的高效率100通道超导纳米线单光子探测器性能从4%提升到了98%。与此同时,陆朝阳也对原先的技术方案进行了大幅革新,最终实现了超越。

  “量子霸权”就是碾压一切?

  实现“量子优越性”并非一蹴而就

  “量子优越性实验并不是一个一蹴而就的工作。”在阐释“九章”的成就之前,潘建伟想先要纠正一个认识上的误区,即认为“量子霸权”就是碾压一切,谁先称霸,谁就得了天下。

  实际上,在量子计算领域,国际同行公认有三个指标性的发展阶段,目前则处于“量子计算优越性”的第一阶段。在这个阶段,科学家还在努力尝试各种方法,试图更精准地操控更多数量的量子比特,从而获得更为强大的计算能力。

  “这是一个动态过程,所有领先都只是暂时的。”潘建伟说,一方面经典计算机还在不断发展,另一方面量子计算更是在快速推进。只不过,经典计算机中电子只有0和1两种状态,而量子可处于叠加态,每增加一个量子比特,其计算能力就会指数级提升”。因此,“量子争霸”实际上是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争,但最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力,取得碾压性胜利。

  

  ▲量子计算机与经典计算机之差别

  无论是谷歌的“悬铃木”还是中国的“九章”,其算力都是百万、上亿倍于世界排名第一的超级计算机。超过300位的大数分解,经典计算机最快要算15万年,量子计算机一秒就完成了。

  “在摩尔定律逼近极限的时代,在人们对算力需求指数级增长的时代,量子计算机必然会成为世界前沿的‘兵家必争之地’。”潘建伟介绍,最近美国公布了量子计算领域的最新计划,英国、欧盟、日本等国家也早有相应规划,这次“九章”的成功研制,则为中国牢固确立在国际量子计算研究中的第一方阵地位奠定了技术基础。

  量子计算机还能更快吗?

  未来发展有待新材料等领域创新突破

  尽管“九章”的算力已快得惊人,但它只是在量子计算第一阶段树起了一座里程碑,未来的路还有很长。

  经典计算机从专用机发展到通用机,走过了20多年历程,现在的量子计算机就处在最早期的专用机时代。无论是谷歌的“悬铃木”还是“九章”,都只能用来解决一个特定问题。

  潘建伟解释,这是因为目前可用来搭建量子计算机的材料有限,只能“就食材做菜”,全球都在朝着为数不多的几个方向努力。未来量子计算机的突破,更有可能依赖于新材料在量子计算硬件上的创新。

  

  ▲光量子干涉实物图(摄影:马潇汉,梁竞,邓宇皓)

  不过,哪怕量子计算只是走到今天,依然展现出了诱人的应用前景。基于“九章”的高斯玻色取样算法,有望在后续发展出图论、机器学习、量子化学等方向上的应用。

  另一个问题是,人们如何知晓这些早期的量子计算原型机得到的结果是正确的?潘建伟团队通过与国家并行计算机工程技术研究中心合作,在超级计算机上对“九章”所获得的先期结果进行验证,从简单开始,直至复杂到超算难以胜任——如果少光子结果都可得到印证,那么同一个装置的多光子结果也将是可信的。

  就在论文登上《科学》的同时,潘建伟团队已开始向下一个里程碑进发:新的量子计算实验装置已开始在实验室搭建,性能还将进一步提升。

  >>>延伸阅读

  76个光子100模式干涉线路实现玻色取样

  所谓取样,是指从某个概率分布抽取样本的过程,主要目的是通过少量的关键样本来高效获取整体分布的关键信息。波色采样是指从由一个高度纠缠的多光子量子态定义的概率分布取样的过程。

  在“九章”量子计算原型机中,有100个光纤通道,最多同时可以有76个光子进入这些通道。这些光子由特制的量子光源发出,确保76个光子完全一模一样。在通道末端,安放有高性能光子探测器,能够准确捕获每个落下的光子。

  可以说,从仪器研制到设备布放,实验经过的每一步都需要经过严格计算和精心调制:光子在50路2米自由空间与20米光纤光程中的抖动必须控制在25纳米之内,这相当于跑过100千米的距离,误差要小于一根头发丝。

  量子计算领域的三个指标性发展阶段

  第一阶段是发展具备50-100个量子比特的高精度专用量子计算机,对于一些超级计算机无能为力的高复杂度特定问题实现高效求解,实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。

  第二阶段是通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测,研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机,用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题,如量子化学、新材料设计、优化算法等。

  第三阶段是通过积累在专用量子计算与模拟机的研制过程中发展起来的各种技术,提高量子比特的操纵精度,使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值(>99.9%),大幅提高可集成的量子比特数目(百万量级),实现容错量子逻辑门,研制可编程的通用量子计算原型机。

  
作者:许琦敏
编辑:许琦敏
责任编辑:任荃

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