里程碑式突破!我国量子计算原型机“九章”问世:从6亿年到200秒

2020-12-05 来 源:网络整理 作者:安顺一家亲 移动版
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。

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从6亿年到200秒


“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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迈进量子优越性的门槛


量子计算优越性(国外也称之为“量子霸权”),量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力,可望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面(如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等)相比经典计算机实现指数级别的加速。

“九章”量子计算原型机光路系统原理图

左上方激光系统产生高峰值功率飞秒脉冲;左方25个光源通过参量下转换过程产生50路单模压缩态输入到右方100模式光量子干涉网络; 最后利用100个高效率超导单光子探测器对干涉仪输出光量子态进行探测。

制图:陆朝阳,彭礼超


当前,研制量子计算机已成为世界科技前沿的最大挑战之一,成为欧美各发达国家角逐的焦点。对于量子计算机的研究,本领域的国际同行公认有三个指标性的发展阶段:


第一阶段: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法解决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: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: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%),大幅度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。


潘建伟团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平。2017年,该团队构建了世界首台超越早期经典计算机(ENIAC)的光量子计算原型机。2019年,团队进一步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源,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个量子比特的希尔伯特态空间,逼近了“量子计算优越性”。


光量子干涉实物图

左下方为输入光学部分,右下方为锁相光路,上方共输出100个光学模式,分别通过低损耗单模光纤与100超导单光子探测器连接。

摄影:马潇汉,梁竞,邓宇皓


近期,该团队通过自主研制同时具备高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源,同时满足相位稳定、全连通随机矩阵、波包重合度优于99.5%、通过率优于98%的100模式干涉线路,相对光程10-9以内的锁相精度,高效率100通道超导纳米线单光子探测器,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”(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》)。


100模式相位稳定干涉仪

光量子干涉装置集成在20 cm*20 cm的超低膨胀稳定衬底玻璃上, 用于实现50路单模压缩态间的两两干涉,并高精度地锁定任意两路光束间的相位。

摄影:马潇汉,梁竞,邓宇皓


根据目前最优的经典算法,“九章”对于处理高斯玻色取样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,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。同时,通过高斯玻色取样证明的量子计算优越性不依赖于样本数量,克服了谷歌53比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。“九章”输出量子态空间规模达到了1030(“悬铃木”输出量子态空间规模是1016,目前全世界的存储容量是1022)。


该成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位,为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。此外,基于“九章号”量子计算原型机的高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用,将是后续发展的重要方向。


光量子干涉示意图

制图:文乐,罗弋涵


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前途无量的量子计算


量子计算(Quantum Computing)是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式,即利用量子叠加和纠缠等物理特性,以微观粒子构成的量子比特为基本单元,通过量子态的受控演化实现计算处理。对照于传统的通用计算机,其理论模型是通用图灵机;而通用的量子计算机,其理论模型即是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。


1982年,美国著名物理学家理查德·费曼教授提出了量子计算的概念,并指出以量子力学为基础的计算机在处理特定问题时,具有远超传统计算机的能力优势。90年代先后诞生了著名的Shor分解算法、Grover搜索算法等,为后来量子计算技术的发展奠定了重要的理论基础与实践基石。


量子计算的主要原理就是利用了量子态的叠加性和纠缠性。比特作为计算的基本信息处理单元,具有0和1两种逻辑态,且在经典计算模式只能处于0或1的一种,而量子比特却能够处于0和1的叠加态。换言之,每个经典存储器仅能存储0或1其中一个,而量子存储器却能同时存储0和1。



量子力学态叠加原理使得量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态,从而导致量子信息处理从效率上相比于经典信息处理具有更大潜力和更重要作用。因此,量子计算领域近年异常热闹,许多科研机构都已进军量子计算领域,并取得了令人鼓舞的成就。


在量子计算赛道,谷歌、微软、英特尔等美国科技企业拥有先发优势,通过不同技术路径不断实现对更多量子比特的操纵。2019年10月,谷歌研究人员声称,基于一个包含54个量子比特的量子芯片开发了量子计算系统;该系统只用了约200秒就完成了传统计算机大约需要1万年才能完成的任务。


IBM首席执行官表示,他的公司的客户最早可以在2023年使用量子计算技术并获得丰厚的收益。


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受好评的重磅研究成果


中国科学技术大学新闻中心在调研专家库的基础上,就这个工作以视频或者文字的形式采访了多位国外相关领域的教授,包括多位沃尔夫奖获得者,美国科学院院士等资深专家。让我们一起来听听他们的评价吧!



德国马普所所长 沃尔夫奖得主 富兰克林奖章得主Ignacio Cirac

总体来说,这是量子科技领域的一个重大突破,朝着研制相比经典计算机具有量子优势的量子设备迈出了一大步。我相信这项成果背后付出了巨大的技术努力。潘教授的团队在世界上独一无二的,他们产生了包括这个实验在内的很多重大成果。


奥地利科学院院长 沃尔夫奖得主 美国科学院院士Anton Zeilinger

这项工作成果很重要,因为潘建伟和他的同事证明,基于光子(光的粒子)的量子计算机也可能实现“量子计算优越性”。我预测很有可能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。


麻省理工学院副教授 美国青年科学家总统奖得主 斯隆奖得主Dirk Englund

这是一个划时代的成果。这是一个了不起的成就。这是开发这些中型量子计算机的里程碑。


维也纳大学教授 美国物理学会会士Philip Walther

他们在实验中拿到了目前最强经典计算机万亿年才能给出的计算结果,为量子计算机的超强能力给出了强有力的证明。


加拿大卡尔加里大学教授 量子科学和技术研究所所长Barry Sanders

我认为这是一项杰出的工作,改变了当前的格局(it’s the game changer)。我们一直努力证明量子信息处理可以战胜经典的信息处理。这个实验使经典计算机望尘莫及。

去年,谷歌取得了一项巨大的成果,即量子计算优越性,但这是有争议的。谷歌的结果是,他们拥有一台量子计算机,其性能比其他任何经典计算机都要好。然后,IBM对此提出相反的论点:他们并未完全实现。质疑是否真正的达到了量子计算优越性。

这个实验(潘建伟院士团队的实验)不存在争论,毫无疑问,该实验取得的结果远远超出了传统机器的模拟能力。

我想说的是,这个实验技术挑战非常巨大。为了获得此结果,他们必须解决许多非常困难的技术问题。仅仅在技术层面上,他们所取得的成就也令人印象深刻。这是人们梦寐以求的实验,他们做成了,让梦想走进现实。


昆士兰大学教授Tim Ralph

我相信潘教授和陆教授团队的论文是一个重大突破。这是一个真正的“英雄”实验,将实验各个方面的技术推进到远远超过以前的水平。该设备的规模是非凡的:100模式干涉仪、25个压缩器提供输入的量子态、使用100个单光子探测器进行探测,并且实现了同时保持高效率,稳定性和量子不可分辨性——这都是展示量子计算优越性所必须的。


美国科学院院士 沃尔夫奖得主 狄拉克奖章得主Peter Zoller

利用量子器件来解决日益复杂的问题并体现量子优势是量子科学前沿中的最重要问题之一。陆朝阳、潘建伟和同事们基于光子进行的高斯玻色子采样实验,无论是在量子系统的大小和扩展性方面,还是在实际应用的前景方面,都把研究水平提升到了一个新的高度。


瑞典皇家理工学院教授Val Zwiller

著名的中国科学技术大学团队报道的量子计算优越性的工作为量子科学树立了一个新的重要里程碑,因为一个重要的量子优势清楚地证明了其量子处理器的表现远远优于超级计算机。为了实现这一目标,他们克服了重大的技术挑战,从而产生、操纵和探测非常大尺度的光量子态。


美国耶鲁大学教授 布鲁克海文国家实验室量子优势合作设计中心主任 美国艺术和科学院院士 巴克莱奖获得者Steven Girvin

这是一个极其困难的,需要付出很大的努力来完善的工作。对此我印象非常深刻,我认为这是我们控制量子系统能力的重要技术进步。


英国剑桥大学教授 英国物理学会托马斯.杨奖章获得者Mete Atature

对于量子计算这个蓬勃发展的领域来说,这确实是一个惊艳的时刻。陆教授和潘教授的这一成就将光子和以基于光子的量子技术置于世界舞台中央。通过这项工作,我们进入了量子技术应用的时代,与传统方法相比,我们取得了可触及的优越性。

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番外阅读:《九章算术》


《九章算术》是中国古代张苍、耿寿昌所撰写的一部数学专著。是《算经十书》中最重要的一部,成于公元一世纪左右。其作者已不可考。一般认为它是经历代各家的增补修订,而逐渐成为现今定本的,西汉的张苍、耿寿昌曾经做过增补和整理,其时大体已成定本。最后成书最迟在东汉前期,现今流传的大多是在三国时期魏元帝景元四年(263年),刘徽为《九章》所作的注本。



《九章算术》内容十分丰富,全书总结了战国、秦、汉时期的数学成就。同时,《九章算术》在数学上还有其独到的成就,不仅最早提到分数问题,也首先记录了盈不足等问题,《方程》章还在世界数学史上首次阐述了负数及其加减运算法则。


它是一本综合性的历史著作,是当时世界上最简练有效的应用数学,它的出现标志中国古代数学形成了完整的体系。


(编辑:张毅,稿件资料来源:新华社、中国科学技术大学 、中国科技新闻网、中科院量子信息与量子科技创新研究院等)

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