實現(xiàn)“量子霸權(quán)”：了不起的“九章”計算機

極客網(wǎng)·極客觀察12月7日 近日，我國在量子計算領(lǐng)域取得了里程碑式的突破。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣稱該校學(xué)者潘建偉帶領(lǐng)的團隊成功構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。這一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。

“九章”的誕生引發(fā)了多方關(guān)注與熱議，其先進程度遠超大家想象。據(jù)悉，該計算機一分鐘完成的任務(wù)，超級計算機需要約一億年才能完成。而與谷歌去年發(fā)布的量子計算原型機“懸鈴木”相比，“九章”的計算速度快了一百億倍?！熬耪隆钡某霈F(xiàn)使我國成功獲得了“量子霸權(quán)”。

“九章”為何這么快？

“九章”的計算之快源于其計算形式。量子計算機與我們平時接觸到的普通計算機的計算形式不同。普通計算機通過電路的開與關(guān)來進行計算，單位信息比特只有1和0兩種形式，一些更復(fù)雜的運算操作則是通過多位信息的邏輯運算實現(xiàn)的。

而量子計算機使用粒子的狀態(tài)作為計算形式，由于粒子能夠同時處于多種狀態(tài)，因此量子計算機的單個比特可以承載更多的信息。在“九章”中使用的量子載體為光子，光子除了亮和滅兩種形態(tài)以外，還存在不同的偏振態(tài)，因此，一個光子能夠表達的不僅是0和1兩種狀態(tài)，含包括兩者組合疊加的多樣結(jié)果。粒子的使用使得量子計算機的運算速度能夠突破電路性能的限制，得到了極大程度的提升。

利用量子天然具備的疊加性，量子計算機得以施展并行計算的能力。隨著比特數(shù)的增加，信息的存儲量和運行速度將以指數(shù)形式增長，這是普通計算機難以企及的。

不過，需要明確的是，“九章”目前還不算是真正的“量子計算機”，而是“量子計算原型機”。此前潘建偉院士曾表示，通用量子計算機的問世可能還需要15-30年的時間。目前“九章”還不能進行通用運算，只能作為計算“高斯玻色采樣”的實驗設(shè)備，輔助傳統(tǒng)計算機進行運算。

據(jù)悉，“九章”初步將被應(yīng)用于量子化學(xué)以及圖論中組合數(shù)學(xué)的研究中去，后續(xù)可能被用于機器學(xué)習(xí)的研究?！熬耪隆钡膶嶋H應(yīng)用還需要更多更有效的探索。

“九章”的構(gòu)建之路

目前，研制量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處于國際領(lǐng)先水平。早在2017年，該團隊就聚焦于量子點光源，構(gòu)建出了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算原型機。

在2019年，該團隊又更進一步，在光子數(shù)和計算復(fù)雜度等關(guān)鍵指標上實驗大幅度提升，逼近“量子計算優(yōu)越性”。而這次，潘建偉團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)模擴展能力的量子光源，最終突破了光子效能的瓶頸，成功構(gòu)建了“九章”。

在“九章”的構(gòu)建之路上，該團隊經(jīng)歷的困難遠超想象，該設(shè)備對鎖相精度的要求高達十的負九次方。團隊中的陸朝陽曾這樣描述他們遇到的難題，“我們需要50路光子同時通過20多米的光層，每一路都要保持25納米的精度，這相當于你讓50匹馬一起跑過100公里，必須同時到達，每匹馬的誤差，不能超過一根頭發(fā)絲?！边@樣的形容充分說明了“九章”成果的來之不易。

值得一提的是，此次“九章”的研發(fā)團隊中有四位90后成員，期中年齡最小的一位成員1997年出生，這也讓我們切實地看到了“后浪”的力量。在這些年輕的新力量的推動下，建設(shè)世界科技強國，未來可期。

實現(xiàn)“量子霸權(quán)”

“九章”的成功研發(fā)也意味著我國實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。所謂量子霸權(quán)，也稱量子計算優(yōu)越性，是指量子計算裝置在特定測試案例上表現(xiàn)出超越所有經(jīng)典計算機的計算能力。實現(xiàn)量子霸權(quán)是量子計算發(fā)展的重要里程碑，這確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位。

量子計算機強大的并行運算能力，可以推動密碼破譯、材料設(shè)計、藥物分析等具有重大使用價值難題的解決，加速科技進步。量子計算機的未來是人類科技前進的一個方向，而“九章”的出現(xiàn)給予了中國引領(lǐng)世界發(fā)展的希望。

上一個聲稱實現(xiàn)量子霸權(quán)的是來自美國的谷歌公司，他們于2019年研發(fā)了使用53個量子比特的量子計算機“懸鈴木”。但與“懸鈴木”相比，“九章”有很大的超越。

首先，通過與最快的超級計算機的等效比較，“九章”的計算速度要比“懸鈴木”快一百億倍。除此之外，“九章”有著更強的環(huán)境適應(yīng)性。“懸鈴木”對于運行環(huán)境有著很高的要求，需要在零下273.12攝氏度下運行，但“九章”只有探測部分需要低溫環(huán)境，其他部分在室溫環(huán)境下也可以運行。這意味著“九章”的使用更加便利，使用范圍也更廣。

還有重要的一點是，“九章”彌補了“懸鈴木”的技術(shù)漏洞?！皯意從尽钡倪\算速度與樣本數(shù)量有著緊密的練習(xí)，“懸鈴木”的運算速度只有在小樣本的情況下才優(yōu)于超級計算機。而“九章”的運算能力不依賴于樣本數(shù)量，不管樣本多大，都能保持了優(yōu)越的運算速度。這也是為何“九章”的出現(xiàn)能在世界范圍內(nèi)引起如此大的轟動，許多外國科學(xué)家都對“九章”表示了肯定，并對發(fā)明團隊表達了敬意。

不過潘建偉也表示，“量子霸權(quán)就是碾壓一切”的觀點是錯誤的。他認為，“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)典計算機無法企及的算力。”

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