中国光量子计算机“九章”背后 站着两名浙江东阳科学家

在一个特定赛道上，200秒的量子算力，相当于目前最强超算6亿年的计算能力。12月4日，科学杂志公布了中国九章的重大突破。这台由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等学者研制的76个光子的量子计算原型机，是第一台实现量子优越性的光量子计算机，推动全球量子计算的前沿研究达到一个新高度。尽管距离实际应用仍有漫漫长路，但成功实现了量子计算优越性的里程碑式突破。什么是量子优越性量子优越性，是指在某个特定问题上，量子计算机的计算能力远超传统计算机。传统计算机将所有数据存储为0或1，而量子计算机利用量子力学的原理，可以允许一个物体同时处于多种状态，实行并行计算。正是因为这种能力，科学家认为，面对未来量子计算机可能拥有的计算能力，传统计算机将望尘莫及。去年9月，美国谷歌公司宣布研制出53个量子比特的计算机悬铃木，对一个数学问题的计算只需200秒，而当时世界最快的超级计算机顶峰需要1万年，因此他们在全球首次实现了量子优越性。谷歌公司首席执行官孙达尔皮柴说，此次成果在量子计算发展史上的地位，可媲美飞行史上莱特兄弟发明飞机时成功的12秒首次试飞。高斯玻色采样又是什么九章求解的问题名叫高斯玻色采样。它是一个计算概率分布的算法，可用于编码和求解多种问题。这有点像是小时候玩过的游戏高尔顿板。小球从上端的口落下，每经过一个钉板，都有一半的可能从左边走，一半的可能从右边走，最后，当很多小球扔下去后，下面格子里的小球分布会呈现一定的统计规律。高斯玻色采样就是量子版本的高尔顿板，实际情况更为复杂，非常适合量子计算机来解决。小球变成了光子，钉板变成了分束器，若干个光子进入网格之后，经过分束器组成的干涉仪，最终分别在哪些出口被探测到，记录下来，就是一个采样。积累之后，光子数也会有一个分布。每一种采样结果都对应一个概率。全部可能的采样结果就构成输出态的态空间。这是光量子干涉实物图：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。新华社图这是100模式相位稳定干涉仪：光量子干涉装置集成在20cm*20cm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。新华社图实验显示，当求解5000万个样本的高斯玻色取样时，九章只需200秒，而目前世界最快的传统超级计算机富岳需6亿年。既然谷歌已实现量子优越性那么九章的意义在哪里就在谷歌公司宣布实现量子优越性后，传统计算机顶峰的研发者IBM公司表示质疑。他们认为，谷歌在用传统计算机模拟时优化水平不够。按照IBM公司的计算，传统计算机只需要2.5天，也可以得出与悬铃木同样的计算结果。这种质疑获得了业界认同。潘建伟团队表示，量子优越性实验并非一蹴而就的工作，而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，但最终量子计算机会产生传统计算机无法企及的算力。相比悬铃木，九章有三大优势。一是速度更快。虽然算的不是同一个数学问题，但与最快的超算等效比较，九章比悬铃木快100亿倍。二是环境适应性。悬铃木需要零下273.12摄氏度的运行环境，而九章除了探测部分需要零下269.12摄氏度的环境外，其他部分可以在室温下运行。三是弥补了技术漏洞。悬铃木只有在小样本的情况下快于超算，九章在小样本和大样本上均快于超算。量子计算距离普通人还有多远当前，量子计算已成为全球各国竞相角逐的焦点。比如近期，欧盟宣布拟投资80亿欧元，研究量子计算等新一代算力技术。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密码破译、大数据优化、天气预报、材料设计、药物分析等领域，提供比传统计算机更强的算力支持。潘建伟说，下一步，团队将在光子、超导、冷原子等多条技术线路上推进研究。这是光量子干涉示意图。新华社图2019年，提出量子优越性概念的物理学家约翰裴斯基撰文评论谷歌公司的成果。他最初提出量子优越性时就问过，大规模量子计算究竟是非常非常困难，还是不可思议地困难前者意味着还有几十年的路要走，后者意味着可能还要几百年。谷歌的成果让他相信，人类距离量子计算大规模应用已经不远。如今，九章取得的成果或许更能让他确信这一点了。有关九章的趣知识潘建伟、陆朝阳都是浙江东阳人。论文第一作者多为90后，最小的出生于1997年。取名九章，是为了纪念中国古代著名数学专著九章算术。团队需要攻克的难点之一是高品质量子光源。比如，我们每次喝下一口水很容易，但要每次喝下一个水分子非常困难。陆朝阳解释说，高品质光源要保证每次只放出1个光子，且每个光子要一模一样，这是巨大挑战。同时，锁相精度要控制在10的负9次方以内，相当于传输100公里距离，偏差不能超过1根头发丝的直径。为了核验九章算得准不准，团队使用超级计算机验证计算结果，电费贵得惊人。计算40个光子时需要电费200万元，41个光子需要400万元，42个光子需要800万元，推算下去将是天文数字。美国得克萨斯州大学奥斯汀分校教授斯科特亚伦森参与了同行评议。对于最初提交的超算模拟30个光子的结论，亚伦森不太满意。正是他提出建议：能不能跑到40个光子以上几周后，他得到回复超算验证40个光子时，花销已超过40万美元约合260万元人民币，团队决定叫停。亚伦森说，这是我写过最贵的同行评议！原标题全球最快计算机要算6亿年，它只需200秒！中国光量子计算机九章背后站着两名浙江东阳科学家。编辑黄慧仙举报/反馈