“九章”計算機助力我國首次實現“量子計算優越性”
核心閱讀
近日，中國科學家成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”。計算玻色采樣問題，“九章”處理5000萬個樣本只需200秒，而目前世界最快的超算需6億年。這是我國首次實現“量子計算優越性”。
眼下，研制量子計算機已是世界科技前沿的最大挑戰之一。未來，“九章”在機器學習、量子化學等領域有潛在應用。
近日，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等學者組成的研究團隊與中國科學院上海微系統所與信息技術研究所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機“九章”。計算玻色采樣問題，“九章”處理5000萬個樣本只需200秒，而目前世界最快的超級計算機需要6億年。
這是我國首次實現“量子計算優越性”，這一突破也使我國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。12月4日，《科學》雜志發表了該成果。
難點眾多
在設備的自主研發、技術革新上下功夫
“九章”，既是中國古代的數學專著《九章算術》，也是牢固確立了我國在國際量子計算研究中第一方陣地位的量子計算原型機，二者皆有里程碑意義。
“量子計算優越性”，指的是作為新生事物的量子計算機，一旦在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機，就證明了量子計算機的優越性，跨過了未來在多方面超越傳統計算機的門檻。
“這將實驗各方面的技術推進到遠超以前的水平。”澳大利亞昆士蘭大學教授蒂姆·拉夫說：“該設備的規模是非凡的：100模式干涉儀、25個壓縮器提供輸入的量子態、使用100個單光子探測器進行探測，并且實現了同時保持高效率，穩定性和量子不可分辨性——這都是展示量子計算優越性所必需的。”
從20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，到76個光子100個模式的高斯玻色取樣，必須在設備上下功夫。“一開始，高效率100通道超導納米線單光子探測器性能很低，只有4%。我們通過與中科院上海微系統與信息技術研究所合作，自主研發、技術革新，現在其性能已經提升到了98%。”陸朝陽說，不斷增強量子光源、量子干涉、單光子探測器等領域的自主創新，是下一步研究的重點。
“利用量子器件來解決日益復雜的問題并體現量子優勢，是量子科學前沿中的最重要問題之一。”美國科學院院士、沃爾夫獎得主、狄拉克獎章得主彼得·佐勒認為，潘建偉團隊的研究，在量子系統的大小與擴展性、實際應用的前景方面把研究水平提升到了一個新的高度。
意義非凡
在不增加能耗的基礎上，提升計算能力
“大數據時代，全球數據量呈指數增長，每兩年翻一番。龐大的數據若不提取，則沒有意義。”潘建偉說。目前，計算機傳統的發展模式受限，超級計算機能耗巨大。在潘建偉看來，“九章”問世，其意義在于在不增加能耗的基礎上，提升計算能力。
眼下，研制量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰之一，是全球角逐的焦點。去年，谷歌公司推出53個超導量子比特的計算機“懸鈴木”，對一個數學算法的計算效率遠超當時世界最快的超級計算機，率先實現了“量子優越性”。而“九章”則實現了“高斯玻色取樣”任務的快速求解。
處理5000萬個樣本的高斯玻色取樣問題，“九章”只需200秒，而目前世界上最快的超算則需要6億年；處理100億個樣本，“九章”需10個小時，超級計算機則需要1200億年。正如陸朝陽所說的那樣：“‘九章’在一分鐘時間里完成了經典超級計算機一億年才能完成的任務。”
對量子計算機的研究，國際同行公認有3個指標性的發展階段：第一階段是發展具備50至100個量子比特的高精度專用量子計算機，實現計算科學中量子計算優越性的里程碑；第二階段是研制可相干操縱數百個量子比特的量子模擬機，以解決若干超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題；第三階段是大幅度提高可集成的量子比特數目至百萬量級，實現容錯量子邏輯門，研制可編程的通用量子計算原型機。
據陸朝陽介紹，與“懸鈴木”相比，“九章”具有運算速度更快、環境適應性更強、克服技術漏洞這三大優勢。“懸鈴木”只有在小樣本的情況下快于超算，“九章”則在小樣本和大樣本上都超過了超算，“好比賽跑，谷歌的機器短跑能跑贏超算，長跑跑不贏；我們的機器短跑、長跑都能跑贏。”
前景廣闊
在機器學習、量子化學等領域具有潛在應用
在合肥，量子計算原型機“九章”幾乎占據了半個實驗室，包含上千個部件。目前，“九章”和“懸鈴木”一樣只能用來解決某個特定問題。潘建偉認為，這是由于目前可用來搭建量子計算機的材料有限，全球都在朝著為數不多的幾個方向努力，“未來量子計算機的突破，更有可能依賴于新材料在量子計算硬件上的創新。”
如今，基于“九章”的高斯玻色取樣算法在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用，將是后續發展的重要方向。潘建偉團隊表示，盡管“九章”算力驚人，但只是在量子計算第一階段樹起的一座里程碑。“希望能通過15年到20年的努力，研制出通用的量子計算機，來解決密碼分析、氣象預報、藥物設計等應用非常廣泛的問題。”潘建偉表示。
《科學》雜志審稿人評價，這是“一個最先進的實驗”“一個重大成就”。“量子優越性”實驗并非一蹴而就的工作，而是更快的經典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭。但最終，量子并行性會產生經典計算機無法企及的算力。潘建偉團隊希望，這個工作能夠激發更多的經典算法模擬方面的工作。
相關文章
-
中國第一個巨型計算機系統 銀河-1號在1983年研制成功
中國第一個巨型計算機系統是哪個？1983年12月22日，中國第一臺每秒鐘運算一億次以上的“銀河”巨型計算機，由國防科技大學計算機研究所在長沙研制成功。它填補了國內巨型計算機的空白，中國成為繼美國、日本之后，第 ......
2020-12-15 10:58:14 銀河計算機系統中國第一個 -
世界上最早準確測量子午線長度的人 唐代天文學家僧一行
世界上最早準確測量子午線長度的人是誰？子午線，又叫作經線，和緯線一樣是人類為度量方便而假設出來的輔助線，為地球表面連接南極和北極的半圓弧。任意兩根子午線的長度都是相等的，指示南北方向，且在南極和北極相 ......
2020-12-11 09:51:38 的人子午線天文學家 -
“人造太陽”和“量子霸權”！
原創： 申鵬來源公眾號：平原公子已獲授權轉載最近總是感覺有點不真實。首先是嫦娥五號在月球上豎起了五星紅旗，還載著兩千克月球土壤準備返回家鄉。然后是中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機“九章”。求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級計算機要用6億年。九章的計算速度，比去年谷歌發布的量子計算機“懸鈴木”快一百億倍。接下來又是新一代“人造太陽”裝置——中國環流器二號M裝置（HL-2M）在成都建...
2020-12-07 17:47:03 量子霸權太陽 -
“九章”之外，中國再傳重大喜訊！
作者：縱橫十來源：微信公眾號 環球視野（ID：hqsy68）這幾天，成了中國技術大爆炸的日子，先是11月29日曝光了中國16倍音速的超燃沖壓發動機，然后是12月3日嫦娥在月球上打包“土”特產完成，準備向地球發送快遞。 接著在12月4號，接連曝光重磅消息。 先是中國量子計算機“九章”，不但算力領先美國量子計算機100億倍，而且在技術上也領先美國。美國的只有53量子比特，中國的76；美國的超導量子需要在極低溫下才行，中國在常溫下即可；美國的量子計算機只有在簡單取樣時才能超過當下超算，九章則沒有這個漏洞。 可能...
2020-12-07 17:46:35 喜訊中國重大 -
袁嵐峰:中國量子計算機“九章”刷屏，袁嵐峰為你解讀原理 |2020-12-05
中國科學技術大學的潘建偉、陸朝陽等人實現了“量子計算優越性”里程碑，比目前最快的超級計算機快一百萬億倍！今天（2020年12月4日），許多媒體報道了一個量子計算的大成果：中國科學技術大學的潘建偉、陸朝陽等人實現了“量子計算優越性”里程碑，比目前最快的超級計算機快一百萬億倍！（比最快的超級計算機快一百萬億倍！中國科學家實現“量子計算優越性”里程碑）具體地說，他們構建了一臺76個光子100個模式的量子計算機，叫做“九章”，它處理“高斯玻色取樣”的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍。也就是說，“九章”一分鐘...
2020-12-07 14:54:10 量子計算機優越性 -
瀚海狼山:九章的算力，憑什么出神入化？ |2020-12-06
成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”，求解數學算法高斯玻色取樣只需要200秒，而當今全球最快的超算需要6億年。瀚海狼山（匈奴狼山）原來也不相信當代的超級計算機性能有多強大，但前年的一個真實事件之后就不再懷疑。這就是當年夏季有個臺風過境狼山住所附近，而且提前至少4到5天，預報了臺風中心的路徑會在附近50公里外近乎靜止的小范圍徘徊36小時左右，這本身是非常罕見的。因為對北方來說，臺風直接過境的概率本身不高。而且還在北方某地徘徊超過一整天加一整夜，這怎么可能？誰能想到3到4天之后，這個臺風的中心真的就基本...
2020-12-07 13:54:42 量子玻璃杯這就是 -
-
美國設立三所量子創新研究所|全球快訊
創頭條編譯?白宮科技政策辦公室（OSTP）和美國國家科學基金會（NSF）周二宣布，將在科羅拉多大學、伊利諾伊大學香檳分校以及加州大學伯克利分校分別設立一所“量子飛躍挑戰研究所”（QuantumLeapChallengeInstitutes），目標是在未來五年內解決量子信息科學和工程基礎研究障礙。NSF一共將撥款7500萬美元，在未來五年每所學校將獲得多達2500萬美元的聯邦資金，目前每所學校已經得...
2020-07-23 19:17:08 量子伊利諾伊分校 -
從基礎研發到產業創新，量子通信產業化迎來里程碑
7月9日，國盾量子正式登陸科創板，對于量子通信技術產業發展及資本化具有里程碑式意義。????“量子通信作為高級別的安全通信手段已成為全球網絡信息安全必爭戰略高地，”國盾量子董事長彭承志在儀式上說，“一旦獲得產業化突破，我國將迎來廣闊的市場空間，并率先確認占位優勢與規模優勢。”?????自主知識產權的高科技名片????量子通信成為全球信息安全產業發展的重心。2017年起，美國已經將量子密鑰分發...
2020-07-10 13:17:05 量子通信全球 -
我國學者在超冷原子量子計算和模擬研究中取得突破
中國科學技術大學教授潘建偉、苑震生等人日前在光晶格中首次實現1250對原子高保真度糾纏態的同步制備。這是超冷原子量子計算和模擬研究中的一項重要進展，國際知名學術期刊《科學》19日在線發布了該成果。...
2020-06-19 22:08:14 晶格原子量子
| 留言與評論（共有 0 條評論） |
