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。
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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。
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《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?
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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」。
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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。」
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