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“九章”问鼎 确立我国在国际量子计算研究第一方阵地位

发稿时间:2020-12-07 12:11 来源:织梦技术论坛
在竞争激烈的量子科技前沿,中国科学家又树立起了一座举世瞩目的里程碑。
 
  12月4日,中国科学技术大学宣布,该校潘建伟、陆朝阳等组成的研究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,构建了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”,处理5000万个样本只需200秒,而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。相关论文于12月4日在线发表在国际学术期刊《科学》。《科学》杂志审稿人评价,这是“一个最先进的实验”,“一个重大成就”。
 
  潘建伟表示,这一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。基于“九章”的“高斯玻色取样”算法,未来将在图论、机器学习、量子化学等领域具有重要的潜在应用价值。
 
  “九章”在一分钟时间里完成了经典超级计算机一亿年才能完成的任务
 
  据潘建伟团队介绍,之所以将这台量子计算机命名为“九章”,是为了纪念中国古代数学专著《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,它的出现标志中国古代数学形成了完整的体系,是一部具有里程碑意义的历史著作。而这台名为“九章”的新机器,同样具有里程碑意义。
 
  量子计算机具有超快并行计算能力,它通过特定算法在一些重大问题方面实现指数级别的加速。“九章”解决的“高斯玻色取样”问题就是一种。
 
  “高斯玻色取样”是一个计算概率分布的算法,可用于编码和求解多种问题。其计算难度呈指数增长,很容易超出目前超级计算机的计算能力,适合量子计算机来探索解决。
 
  在本研究中,潘建伟团队构建的76个光子的量子计算原型机“九章”,实现了“高斯玻色取样”任务的快速求解。
 
  “九章”的算力究竟有多强?在室温条件下运行(除光子探测部分需4K低温),计算“高斯玻色取样”问题,“九章”处理5000万个样本只需200秒,超级计算机则需要6亿年;处理100亿个样本,“九章”只需10小时,超级计算机则需要1200亿年——而宇宙诞生至今不过约137亿年。
 
  “‘九章’在一分钟时间里完成了经典超级计算机一亿年才能完成的任务。”该研究的通讯作者之一、中国科学技术大学教授陆朝阳说。
 
  为了核验“九章”算得“准不准”,潘建伟团队用超算同步验证。“10个、20个光子的时候,结果都能对得上,到40个光子的时候超算就比较吃力了,而‘九章’一直算到了76个光子。”陆朝阳告诉记者。
 
  美国麻省理工学院副教授,青年科学家总统奖、斯隆奖得主德克·英格伦评价说,潘建伟团队的研究“是一个划时代的成果”,是“开发中型量子计算机的里程碑”。维也纳大学教授、美国物理学会会士菲利普·沃尔泽也认为:“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。”
 

  “九章”处理“高斯玻色取样”的速度,等效比较下较谷歌开发的超导比特量子计算原型机“悬铃木”快100亿倍
 
  眼下,研制量子计算机作为世界科技前沿,成为欧美发达国家角逐的焦点。
 
  2019年10月,美国物理学家约翰·马丁尼斯带领的谷歌团队宣布研制出53个量子比特的计算机“悬铃木”(sycamore)。“悬铃木”完成100万次随机线路取样任务只需200秒,而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需要2天。美国科学家得以在全球首次实现了“量子计算优越性”。
 
  所谓的“量子计算优越性”,又称“量子霸权”,这一科学术语是指:作为新生事物的量子计算机,一旦在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机,就证明了量子计算机的优越性,使其跨过了未来在多方面超越传统计算机的门槛。
 
  事实上,就在谷歌宣布“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个量子比特的希尔伯特态空间,逼近了“量子计算优越性”。
 
  近期,该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”。“九章”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的负9次方以内的锁相精度,高效率100通道超导纳米线单光子探测器。
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