這一突破使我國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家。
12月4日,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作,構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。
“九章”的命名,旨在紀(jì)念中國(guó)古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。
實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次量子計(jì)算優(yōu)越性,碾壓谷歌“量子霸權(quán)”
量子優(yōu)越性,即谷歌此宣稱的“量子霸權(quán)”,是近年量子計(jì)算中備受關(guān)注的一個(gè)方向,“九章”的成功,使得我國(guó)成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑!
量子計(jì)算是指利用量子相干疊加原理,能夠解決超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的一些問題,具有超快的并行計(jì)算和模擬能力的計(jì)算機(jī)。
而光量子計(jì)算機(jī)包含3個(gè)主要部分:
第一部分是單光子源,在零下269攝氏度的低溫中,這個(gè)設(shè)備通過激光激發(fā)量子點(diǎn),每次產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的單光子。
第二部分是超低損耗光量子線路。單光子通過開關(guān)分成5路,通過光纖導(dǎo)入主體設(shè)備光學(xué)量子網(wǎng)絡(luò)。
第三部分是單光子探測(cè)器,探測(cè)矩陣中得到的量子計(jì)算結(jié)果。
而潘建偉團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)用光子實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算過程,大部分實(shí)驗(yàn)均在常溫下進(jìn)行。
圖 | “九章”量子計(jì)算原型機(jī)光路系統(tǒng)原理圖
他們將一束定制的激光分成強(qiáng)度相等的13條路徑,聚焦在25個(gè)晶體上產(chǎn)生25個(gè)特殊狀態(tài)的量子光源,光源通過2米自由空間和20米光纖(其中5米纏繞在一個(gè)壓電陶瓷上),進(jìn)入干涉儀和彼此 “對(duì)話”,最后的輸出結(jié)果由100個(gè)超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器探測(cè),最終有76個(gè)探測(cè)器探測(cè)到了光子。
“高斯玻色采樣”是一種復(fù)雜的采樣計(jì)算,當(dāng)問題規(guī)模超過超過某個(gè)值時(shí),任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)都無法有效模擬,而玻色采樣就是這些特定問題中的一個(gè)。但玻色采樣所需要的單光子源在實(shí)驗(yàn)上很難大規(guī)模實(shí)現(xiàn),因此人們考慮問題的一個(gè)變種——高斯玻色,一個(gè)更高效的計(jì)算采樣概率的方法,大大減少了模擬采樣所需的代價(jià)。
根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法,“九章”對(duì)于處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快100萬億倍,等效對(duì)比谷歌去年發(fā)布的53比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。
同時(shí),通過高斯玻色取樣證明的量子計(jì)算優(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量,克服了谷歌53比特隨機(jī)線路取樣實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。“九章”輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)到了1030(“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)模是1016,目前全世界的存儲(chǔ)容量是1022)。
加拿大卡爾加里大學(xué)教授、量子科學(xué)和技術(shù)研究所所長(zhǎng) Barry Sanders 表示:
我認(rèn)為這是一項(xiàng)杰出的工作,改變了當(dāng)前的格局 ( It’s the game changer)。我們一直努力證明量子信息處理可以戰(zhàn)勝經(jīng)典的信息處理。這個(gè)實(shí)驗(yàn)使經(jīng)典計(jì)算機(jī)望塵莫及。
去年,谷歌取得了一項(xiàng)巨大的成果,即量子計(jì)算優(yōu)越性,但這是有爭(zhēng)議的……這個(gè)實(shí)驗(yàn)(潘建偉院士團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn))不存在爭(zhēng)論,毫無疑問,該實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)器的模擬能力。
此外,基于“九章”量子計(jì)算原型機(jī)的高斯玻色取樣算法在圖論、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用,將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。
“九章”背后的團(tuán)隊(duì):量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)并不是一蹴而就
在光量子信息處理方面,潘建偉團(tuán)隊(duì)一直處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
2017年,該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)(ENIAC)的光量子計(jì)算原型機(jī)。
2019年,團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國(guó)際最高性能單光子源,實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣,輸出復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特的希爾伯特態(tài)空間,逼近了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。
而本次成果,則進(jìn)一步牢固確立了我國(guó)在國(guó)際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位,為未來實(shí)現(xiàn)可解決具有重大實(shí)用價(jià)值問題的規(guī)?；孔幽M機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
如今,各個(gè)國(guó)家都希望爭(zhēng)奪科技的制高點(diǎn),量子科學(xué)的科技應(yīng)用很可能是致勝的關(guān)鍵。
值得注意的是,相關(guān)的論文已經(jīng)于12月3日凌晨在線發(fā)表在國(guó)際知名的學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。
《科學(xué)》雜志審稿人評(píng)價(jià)該工作是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”、“一個(gè)重大成就”。此外,還有許多來自美國(guó)科學(xué)院、知名大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)的專家,對(duì)于此次量子科學(xué)領(lǐng)域的最新成果都給予了高度評(píng)價(jià)。
對(duì)于此次研究,參與者陸朝陽在接受采訪時(shí)表示,希望這個(gè)工作能夠激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作,也預(yù)計(jì)將來會(huì)有提升的空間。量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)并不是一個(gè)一蹴而就的工作,而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計(jì)算硬件之間的競(jìng)爭(zhēng),但最終量子并行性會(huì)產(chǎn)生經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法企及的算力。