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200秒完成6億年工作,中國量子計算機「九章」如何碾壓美國和日本的計算機?

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200秒完成6億年工作,中國量子計算機「九章」如何碾壓美國和日本的計算機?

2020年12月05日 15:25 最後更新:15:27

中國量子計算機「九章」花200秒能完成的工作,目前世界上最快的超級計算機「富岳」(日本富士通與日本理化學研究所共同開發的超級電腦),要工作6億年。

中國的「九章」面世。

中國的「九章」面世。

12月4日,中國科學技術大學宣佈潘建偉、陸朝陽等的研究團隊,成功構建76個光子的量子計算機「九章」,根據現有理論,它比日本的「富岳」超級計算機快100萬億倍。

《科學》期刊也在刊登了這一重磅成果。

《科學》期刊也在刊登了這一重磅成果。

100萬億,就是1後面跟著足足14個0,這個巨大的數字讓人頭暈目眩。頂級學術期刊《科學》也在今天刊登了這一重磅成果,審稿人們的評價同樣難掩激動:「一個重大成就」、「一個最先進的實驗」。

媒體第一時間,求教「九章」團隊核心成員、2019年「科學探索獎」獲獎人、中科大教授陸朝陽,只想搞清楚一個問題:「九章」,這個得名於中國古代最早數學專著《九章算術》的量子計算原型機,到底有多厲害?

中科大教授陸朝陽。

中科大教授陸朝陽。

對「九章」的每一篇報道,都會提到一個詞「量子優越性」。有了「九章」,中國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家,也確立了國際量子計算研究中第一方陣的地位。

什麼是「量子優越性」?陸朝陽這樣告訴我們:「如果量子計算原型機,在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機,就證明量子計算在未來有多方超越的可能。」

或者說得再通俗一點。儘管理論勾勒出的美好前景令人神往,但量子計算還需要在現實中證明自己的實力。科學家們選擇了極端複雜的問題來考驗量子計算,讓它在實際應用中「秀出肌肉」。證明「量子優越性」,被認為是量子計算從理論到實踐「里程碑式的轉折點」。

「我行。」這是「九章」給出的答案。如果將樣本擴大到100億個,「九章」只需要10小時,但超級計算機需要1200億年,而地球從誕生至今,只有約46億年。通過「九章」,量子計算的並行計算能力,全面碾壓了傳統計算機。這就是「量子優越性」,因為差距過於誇張,」量子優越性「甚至被稱為「量子霸權」。

「九章」的主要對手,是美國谷歌的量子計算機「懸鈴木」,也可以算一筆賬。

「懸鈴木」選擇解決的問題,大方向也都是量子採樣,「九章」主攻「高斯玻色採樣」,「懸鈴木」選擇「隨機線路採樣」。

懸鈴屠龍 號令天下 九章不出 誰與爭鋒 。中國科學技術大學 圖片

懸鈴屠龍 號令天下 九章不出 誰與爭鋒 。中國科學技術大學 圖片

相比「懸鈴木」,「九章」有三大優勢:一是速度更快。雖然算的不是同一個數學問題,但與最快的超算等效比較,「九章」比「懸鈴木」快100億倍。

二是環境適應性。由於採用超導體系,「懸鈴木」必須全程在零下273.12℃(30mK)的超低溫環境下運行,而「九章」除了探測部分需要零下269.12攝氏度的環境外,其他部分可以在室溫下運行。

三是彌補了技術漏洞。「懸鈴木」只有在小樣本的情況下快於超算,「九章」在小樣本和大樣本上均快於超算。

「九章」開發者陸朝陽說,「打個比方,就是谷歌的機器短跑可以跑贏超算,長跑跑不贏;我們的機器短跑和長跑都能跑贏。」

「九章」的輸出態空間(量子糾纏可能出現的狀態)達到了10的30次方,記錄這些狀態,用光世界上左右的內存、硬盤、光盤還不夠,「懸鈴木」的輸出態空間則是10的16次方,兩者相差十幾個數量級。」陸朝陽表示。

值得一提的是,量子計算走到今天,已然展現出了誘人的應用前景。基於「九章號」量子計算原型機的「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,將是後續發展的重要方向。

50匹馬和一根頭髮絲。

「我們需要50路光子同時通過20多米的光層,每一路都要保持25納米的精度,這相當於你讓50匹馬一起跑過100公里,必須同時到達,每匹馬的誤差,不能超過一根頭髮絲。」陸朝陽對於「九章」實現難度的形容,讓人倒抽一口冷氣。

「從工作想法來說,‘九章’的創新在於以壓縮態作為輸入來源,來做高斯玻色採樣,在具體實現方面,發展了四項關鍵性的技術。」陸朝陽介紹說。證明「量子優越性」不光要能計算,還要能出題,能測量。

「50匹馬和一根頭髮絲的比喻,是在形容我們達到的10的負9次方的鎖相精度,除此之外,我們還提供了國際上唯一一個具備高效率、高全同性、高亮度和大規模擴展能力的量子光源,構建起大規模、全聯通、通過率接近100%的矩陣相位,還能以非常高的效率來探測收集到的單光子,這其中每一項,都是一個很大的挑戰。」陸朝陽進一步解釋。

高品質光子源、高精度鎖相、規模化干涉……一項項創新與突破,讓「九章」後來居上。專用機?通用機?「九章」的強悍實力,讓圍觀群眾很難不隨之聯想,「除了實現‘量子優越性’,只能解決特定問題的‘九章’還有什麼用?」再進一步,就像傳統計算機花了20多年,走過從專用到通用的歷程一樣,我們離通用量子計算機還有多遠?

「很多人對通用量子計算機,有非常強大的執念。」陸朝陽說,「其實我想告訴大家,如果我們能產生一些有實用價值的專用量子計算機,已經有很大的社會和商業價值,比如‘九章’解決的,其實是數學問題,未來可以映射到制藥、材料設計等很多領域,每個問題的解決,可能都是個百億美元級別的產業。」

「九章」相當於76個量子比特,而通用量子計算機可能需要上千萬個量子比特。「過高的期望,隨之會產生大量的泡沫。」陸朝陽介紹說,「對於通用量子計算機,我們普遍認為,還需要15-20年的時間,每一個專用機,都是量子計算前進路上的墊腳石。只有一步一步走,沿途下蛋,才能保證量子計算領域的健康發展,避免‘量子寒冬’的到來。」




毛拍手

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毛拍手

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有樣學樣:中老鐵路成典範,越南對華跨境鐵路合作突加速

2025年02月20日 14:22 最後更新:14:36

越南國會表決通過關於投資建設老街-河內-海防鐵路項目的決議,項目將連通越南北部最大港口海防和與中國雲南省接壤的老街市,旨在滿足越南國內運輸及越中聯運需求。

內地觀察者網報道,當前,中越兩國在基礎設施建設領域合作意願強烈。分析人士指出,越南製造業高度依賴來自中國的零部件供應,「保持這條管道的穩定至關重要」。但越南現有的公路和鐵路網絡難以滿足運輸需求。越南修建一條穿過製造業中心的跨境標準軌鐵路,有助於提高中越兩國聯通效率,「保持國際供應鏈暢通」。

此次,越南方面接受了以中國的標準軌建設跨境鐵路。未來,「標準軌」會成為「一帶一路」鐵路建設中的基礎性技術標準。中國在交通基礎設施方面打造「中國標準」,將有助於世界各國深化基礎設施標準化合作,支撐設施聯通網絡建設。

據越南通訊社報道,決議得到459名與會代表中的455人支持。該鐵路主幹線全長約390.9公里,3條支線長27.9公里,途徑越南老街省、安沛省、富壽省、永福省、河內市、北寧省、興安省、海陽省和海防市等7省2市。

老街-河內-海防鐵路項目將建設一條軌距為1435毫米的新型電氣化鐵路,提供客運和貨運服務。主幹線新老街站至南海防站區段設計時速160公里,穿過河內樞紐區段設計時速120公里,其餘區段設計時速80公里。

越南新建的鐵路將穿過首都河內,連通海防港和與中國雲南接壤的老街。

越南新建的鐵路將穿過首都河內,連通海防港和與中國雲南接壤的老街。

越南政府將根據最短和最直接的原則,確定鐵路項目的具體路線。該項目成本估計為83.69億美元,將使用越南中央預算內投資資金以及其他合法資金。決議要求在2025年編制鐵路項目的可行性研究報告,並爭取在2030年前基本竣工。

越通社稱,鐵路沿線各省人民委員會可以調整車站附近的區域規劃以及建築、技術和社會基礎設施標準,有權將地方預算用於獨立的公共投資項目,以處理車站附近地區的補償和安置問題。有關省份可以保留車站周邊土地開發收入的50%,其餘資金將進入越南國家預算以支持項目資金。

決議強調,建設現代化鐵路旨在滿足越南與中國之間的運輸需求,有望促進老街-河內-海防經濟走廊沿線的快速和可持續發展,同時加強越南的國防和安全,推進工業化和現代化進程。

去年12月,越南總理范明政在視察老街-河內-海防鐵路項目時曾表示,這是一個需要盡快實施的重要項目,因此相關流程也應該簡化。為確保中越鐵路順利連接,列車速度和軌距必須確保與中國鐵路同步對接,越方要在項目設計建造期間與中方保持密切配合。

上周,越南外交部發言人范秋姮表示,老街-河內-海防鐵路將促進中越兩國及地區的經濟、貿易、投資和旅遊合作。

越南媒體指出,該鐵路項目有助於改善越南貨運,促進區域間社會經濟發展。《河內時報》稱,該鐵路項目將加強與越南北部最大港口海防的連通性,促進越南與中國的交通聯繫,以快速、便利和安全的方式滿足越南的高質量運輸需求。

法新社注意到,老街-河內-海防鐵路將穿過越南一些主要製造中心,其中包括三星、富士康、和碩等製造業巨頭的工廠所在地,這些公司大多依賴來自中國的零部件供應。

越南交通基礎設施相對薄弱,公路網絡難以滿足運輸需求,鐵路系統也較為落後,這阻礙了一些外國投資進入越南。諮詢機構Dezan Shira & Associates國際商業顧問馬丁(Dan Martin)表示,越南的卡車運輸昂貴且緩慢,新鐵路有助保持國際供應鏈暢通。

「中國提供越南製造業所需的大部分原材料,保持這條管道的穩定至關重要。」馬丁說,「現代化的鐵路運輸將解決效率低下的問題,確保流入越南工廠或通過海防港運往全球市場的貨物都能順利運輸。」

越南另一條鐵路將連接河內和與中國廣西接壤的諒山省,同樣途徑越南多個製造業密集的地區,以促進越南與中國的「互聯互通」。該項目尚未得到越南國會批准。

為何中越跨境鐵路合作突然加速?分析人士指出,隨著高層頻繁互動、雙邊關係升級,中越雙方互信水平已有了較大提升。越南貨物搭乘中越班列輸往中國,農產品及電子產品對華出口大幅增加,還隨中歐班列運往中亞和歐洲,讓越南看到了與中國互聯互通帶來的巨大機遇。最後,中老鐵路建成給老撾和泰國帶來的幫助也對越南形成了顯著的示範效應。

分析人士稱,修建跨境標軌鐵路將大幅提升中越兩國聯通效率,促進中越貿易往來。

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