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实现算力全球领先 中国量子计算原型机“九章”问世

佚名 科学 2020年12月22日

实现算力全球领先 中国量子计算原型机“九章”问世

200秒只是短短一瞬,6亿年早已是沧海桑田。12月4日,中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”,求解数学算法高斯玻色取样只需200秒,而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。


“量子优越性像个门槛,是指当新生的量子计算原型机,在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机,就证明其未来有多方超越的可能。”中科大教授陆朝阳说,多年来国际学界高度关注、期待这个里程碑式转折点到来。


去年9月,美国谷歌公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木”,对一个数学算法的计算只需200秒,而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需2天,实现了“量子优越性”。


近期,潘建伟团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作,成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。


实验显示,当求解5000万个样本的高斯玻色取样时,“九章”需200秒,而目前世界最快的超级计算机“富岳”需6亿年。等效来看,“九章”的计算速度比“悬铃木”快100亿倍,并弥补了“悬铃木”依赖样本数量的技术漏洞。


据悉,潘建伟团队这次突破历经20年,主要攻克高品质光子源、高精度锁相、规模化干涉三大技术难题。


“比如说,我们每次喝下一口水很容易,但每次喝下一个水分子很困难。”潘建伟说,光子源要保证每次只放出1个光子,且每个光子一模一样,这是巨大挑战。同时,锁相精度要在10的负9次方以内,相当于100公里距离的传输误差不能超过一根头发直径。


与通用计算机相比,“九章”还只是“单项冠军”。但其超强算力,在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用价值。


12月4日,国际学术期刊《科学》发表了该成果,审稿人评价这是“一个最先进的实验”“一个重大成就”。


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中国量子计算原型机“九章”算力有多强?一文解读


这一成果使我国成功实现了量子计算研究的第一个里程碑——量子计算优越性,相关论文今天(12月4日)在国际学术期刊《科学》发表。


在位于安徽合肥的中科院量子创新研究院,记者看到,最新研制成功的量子计算原型机几乎占据了半个实验室,包含上千个部件。经过二十多年研究攻关,科研团队通过在量子光源、量子干涉、单光子探测器等领域的自主创新,成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”。


中国科学技术大学教授陆朝阳:它就采取了由76个光子输出,然后在100×100的这样一个目前世界上最大尺度的这样一个干涉仪里面进行干涉,那么干涉的过程其实也是我们计完成计算的这样一个过程。


“九章”计算速度达超级计算机百亿倍


实验结果显示,“九章”处理特定问题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,同时也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,成功实现了量子计算领域的第一个里程碑——量子计算优越性。


中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟:“九章号”展示了量子计算的强大的算力。我们将把它初步用于量子化学的一些研究,图论里面的一些组合数学方面的一些研究,甚至也可以用于一些机器学习的研究,所以它就可以把有些传统上认为是比较困难的问题,用我们的计算机就可以来做一些有效的有益的探索。


科研团队介绍,“九章号”量子计算原型机确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位,为未来实现规模化量子模拟机奠定了技术基础。随着计算能力的进一步提升,量子计算机将有望在密码破译、材料设计、药物分析等具有实用价值的领域发挥重要作用。


麻省理工学院教授、美国青年科学家总统奖得主德克英格伦:我认为这是一个了不起的成就,这是开发这些中型量子计算机的一个里程碑。


奥地利科学院院长、美国科学院院士安东蔡林格:这项工作成果很重要,证明了基于光子的量子计算机也可能实现量子计算优越性。我相信有朝一日量子计算机会被广泛使用,甚至每个人都可以使用。


拥有并行计算能力 计算速度指数级增加


量子科技,是国际最为关注的前沿热点之一。如果将传统计算机的速度比作“自行车”,量子计算机的速度则是“飞机”。量子计算为何具有如此强大的计算能力?“量子计算优越性”究竟是什么呢?


量子就是质量、能量等各种物理量的最小单元,而且它也要以某种粒子状态存在。如果说到能量,比如光,一个光子就是一个量子。


中国科学技术大学教授陆朝阳:量子计算机它是利用量子力学的原理,量子力学它可以允许一个物体同时处于多种状态,那么比如说0和1同时存在,它可以做一个原理上叫做并行计算,就是很多个任务可以一起完成,因此它就有了这样一种超越经典计算机的计算能力。


正是因为具有超快的并行计算能力,量子计算可望通过特定算法实现指数级别的加速。对于量子计算机的研究,科学界公认有三个指标性的发展阶段。


中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟:在我们的量子计算里面,第一个里程碑性的目标就是要来展示量子计算的优越性。我们在高斯波色采样实验当中构建了一个量子计算的原型机,可以比目前最快的超算能够快10的14次方倍,就相当于我这里算一分钟的东西,用“富岳号”拿来算的话,要算一亿年它才能把这个事情给算完,这就是叫做量子优越性。就是我总算可以演示某个功能比传统的超级计算机算得好了,这样的话我们就可以进一步地去寻找各种各样的应用。


潘建伟介绍,将实现量子计算优越性的这台量子原型机命名为“九章”,是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。在“九章”量子原型机的基础上,研究团队将通过提高量子比特的操纵精度等一系列技术攻关,力争尽早研制出可编程的通用量子计算原型机。


中国科学院院士、中国科学技术大学教授 潘建伟:希望能够通过15年到20年的努力,能够研制出通用的量子计算机,这样的话它就可以来解决很多非常广泛的问题了。比如包括密码分析、气象预报、药物设计,探索物理学或者化学生物学里面的一些复杂的问题。


(原标题《最快!我国量子计算机实现算力全球领先》。编辑倪冰)


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