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中国光量子计算机“九章”背后 站着两名浙江东阳科学家 

2020-12-05 07:58 |都市快报

在一个特定赛道上,200秒的“量子算力”,相当于目前“最强超算”6亿年的计算能力。12月4日,《科学》杂志公布了中国“九章”的重大突破。

这台由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等学者研制的76个光子的量子计算原型机,是第一台实现“量子优越性”的光量子计算机,推动全球量子计算的前沿研究达到一个新高度。尽管距离实际应用仍有漫漫长路,但成功实现了“量子计算优越性”的里程碑式突破。

什么是“量子优越性”?

量子优越性,是指在某个特定问题上,量子计算机的计算能力远超传统计算机。

传统计算机将所有数据存储为0或1,而量子计算机利用量子力学的原理,可以允许一个物体同时处于多种状态,实行“并行计算”。正是因为这种能力,科学家认为,面对未来量子计算机可能拥有的计算能力,传统计算机将望尘莫及。

去年9月,美国谷歌公司宣布研制出53个量子比特的计算机“悬铃木”,对一个数学问题的计算只需200秒,而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需要1万年,因此他们在全球首次实现了“量子优越性”。

谷歌公司首席执行官孙达尔·皮柴说,此次成果在量子计算发展史上的地位,可媲美飞行史上莱特兄弟发明飞机时成功的12秒首次试飞。

“高斯玻色采样”又是什么?

“九章”求解的问题名叫“高斯玻色采样”。它是一个计算概率分布的算法,可用于编码和求解多种问题。

这有点像是小时候玩过的游戏——高尔顿板。小球从上端的口落下,每经过一个钉板,都有一半的可能从左边走,一半的可能从右边走,最后,当很多小球扔下去后,下面格子里的小球分布会呈现一定的统计规律。

高斯玻色采样就是量子版本的高尔顿板,实际情况更为复杂,非常适合量子计算机来解决。小球变成了光子,钉板变成了分束器,若干个光子进入网格之后,经过分束器组成的干涉仪,最终分别在哪些出口被探测到,记录下来,就是一个采样。积累之后,光子数也会有一个分布。每一种采样结果都对应一个概率。全部可能的采样结果就构成输出态的态空间。

这是光量子干涉实物图:左下方为输入光学部分,右下方为锁相光路,上方共输出100个光学模式,分别通过低损耗单模光纤与100超导单光子探测器连接。 新华社图 

这是100模式相位稳定干涉仪:光量子干涉装置集成在20cm*20cm的超低膨胀稳定衬底玻璃上, 用于实现50路单模压缩态间的两两干涉,并高精度地锁定任意两路光束间的相位。  新华社图

实验显示,当求解5000万个样本的高斯玻色取样时,“九章”只需200秒,而目前世界最快的传统超级计算机“富岳”需6亿年。

既然谷歌已实现“量子优越性”

那么“九章”的意义在哪里?

就在谷歌公司宣布实现“量子优越性”后,传统计算机“顶峰”的研发者IBM公司表示质疑。他们认为,谷歌在用传统计算机模拟时优化水平不够。按照IBM公司的计算,传统计算机只需要2.5天,也可以得出与“悬铃木”同样的计算结果。这种质疑获得了业界认同。

潘建伟团队表示,“量子优越性”实验并非一蹴而就的工作,而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争,但最终量子计算机会产生传统计算机无法企及的算力。

相比“悬铃木”,“九章”有三大优势。

一是速度更快。虽然算的不是同一个数学问题,但与最快的超算等效比较,“九章”比“悬铃木”快100亿倍。

二是环境适应性。“悬铃木”需要零下273.12摄氏度的运行环境,而“九章”除了探测部分需要零下269.12摄氏度的环境外,其他部分可以在室温下运行。

三是弥补了技术漏洞。“悬铃木”只有在小样本的情况下快于超算,“九章”在小样本和大样本上均快于超算。

“量子计算”距离普通人还有多远?

当前,量子计算已成为全球各国竞相角逐的焦点。比如近期,欧盟宣布拟投资80亿欧元,研究量子计算等新一代算力技术。

“量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力,可望通过特定算法在密码破译、大数据优化、天气预报、材料设计、药物分析等领域,提供比传统计算机更强的算力支持。”潘建伟说,下一步,团队将在光子、超导、冷原子等多条技术线路上推进研究。

这是光量子干涉示意图。新华社图

2019年,提出“量子优越性”概念的物理学家约翰·裴斯基撰文评论谷歌公司的成果。他最初提出“量子优越性”时就问过,大规模量子计算究竟是非常非常困难,还是不可思议地困难?前者意味着还有几十年的路要走,后者意味着可能还要几百年。谷歌的成果让他相信,人类距离量子计算大规模应用已经不远。

如今,“九章”取得的成果或许更能让他确信这一点了。

有关“九章”的趣知识

潘建伟、陆朝阳都是浙江东阳人。论文第一作者多为90后,最小的出生于1997年。

取名“九章”,是为了纪念中国古代著名数学专著《九章算术》。

团队需要攻克的难点之一是高品质量子光源。“比如,我们每次喝下一口水很容易,但要每次喝下一个水分子非常困难。”陆朝阳解释说,高品质光源要保证每次只“放出”1个光子,且每个光子要一模一样,这是巨大挑战。同时,锁相精度要控制在10的负9次方以内,相当于传输100公里距离,偏差不能超过1根头发丝的直径。

为了核验“九章”算得“准不准”,团队使用超级计算机验证计算结果,电费贵得惊人。计算40个光子时需要电费200万元,41个光子需要400万元,42个光子需要800万元,推算下去将是天文数字。

美国得克萨斯州大学奥斯汀分校教授斯科特·亚伦森参与了同行评议。对于最初提交的超算模拟30个光子的结论,亚伦森不太满意。正是他提出建议:能不能跑到40个光子以上?几周后,他得到回复——超算验证40个光子时,花销已超过40万美元(约合260万元人民币),团队决定叫停。亚伦森说,这是我写过最贵的同行评议!

(原标题《全球最快计算机要算6亿年,它只需200秒!中国光量子计算机“九章”背后站着两名浙江东阳科学家》。编辑黄慧仙)

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