中国科学技术大学:量子计算原型机“九章”问世

国际文教 2020-12-05

新安晚报 安徽网 大皖客户端讯 记者从中国科学技术大学得知,该校潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作,构建了76个光子的量子计算原型机“九章”,构建了具备实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。根据现有理论,该量子计算系统处置高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍(“九章”一分钟已完成的任务,超级计算机需要一亿年)。等效地,其速度比去年谷歌发布的53个量子比特计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。这一成果使得我国成功超过了量子计算研究的第一个里程碑:量子计算优越性(国外也称之为“量子霸权”)。涉及论文于12月4日在线发表在国际学术期刊《科学》上。

实现“量子计算出来优越性”

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一些具有重大社会和经济价值的问题方面(如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等)比起经典计算机构建指数级别的加快。当前,研制量子计算机已成为世界科技前沿的仅次于挑战之一,沦为欧美各发达国家角逐的焦点。

光量子干涉实物图。 新华社

对于量子计算机的研究,本领域的国际同行普遍认为有三个指标性的发展阶段。首先是发展不具备50-100个量子比特的高精度专用量子计算机,对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效解法,构建计算出来科学中“量子计算出来优越性”的里程碑。 “九章”目前正处于这一阶段。

第二阶段是通过对规模化多体量子体系的准确制取、操控与观测,研制可相干性操纵数百个量子比特的量子模拟机,用作解决问题若干超级计算机无法胜任的具备根本性实用价值的问题(如量子化学、新材料设计、优化算法等)。

第三阶段是通过积累在专用量子计算出来与模拟机的研制过程中发展一起的各种技术,提升量子比特的操纵精度使之达到能打破量子计算严苛的容错阈值(>99.9%),大幅度提高可集成的量子比特数目(百万量级),实现容错量子逻辑门,研制可编程的标准化量子计算原型机。

潘建伟团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平。2017年,该团队建构了世界首台超越早期经典计算机(ENIAC)的光量子计算出来原型机。

2019年,团队进一步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最低性能单光子源,构建了20光子输出60模式干预线路的玻色采样,输出复杂度相等于48个量子比特的希尔伯特态空间,迫近了“量子计算出来优越性”。

确立我国量子计算研究地位

近期,该团队通过自主研制同时具备高效率、低全同性、极高亮度和大规模拓展能力的量子光源,同时满足振幅稳定、全相连随机矩阵、波包重合度高于99.5%、通过率优于98%的100模式干预线路,相对光程10-9以内的锁相精度,高效率100地下通道超导纳米线单光子探测器,顺利建构了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”(命名为“九章”是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》)。

根据目前最优的经典算法, “九章”对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍,等效地比谷歌去年公布的53个量子比特计算原型机“悬铃木”慢一百亿倍。同时,通过高斯玻色取样证明的量子计算优越性不依赖样本数量,解决了谷歌53比特随机线路采样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。 “九章”输出量子态空间规模超过了1030(“悬铃木”输入量子态空间规模是1016,目前全世界的存储容量是1022)。

该成果牢固确立了我国在量子计算出来研究中的第一方阵地位,为未来构建可解决具备根本性实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。此外,基于“九章”量子计算原型机的高斯玻色采样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用,将是后续发展的最重要方向。

《科学》杂志审稿人评价该工作是“一个最先进的实验”, “一个重大成就”。研究人员期望这个工作能够唤起更多的经典算法仿真方面的工作,也预计将来不会有提高的空间。量子计算优越性实验并不是一个一蹴而就的工作,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,但最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力。

新安晚报 安徽网 大皖客户端记者 陈牧

速读“九章”

“量子计算出来优越性”

这是一个科学术语:作为新生事物的量子计算机,一旦在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机,就证明了量子计算机的优越性,穿过了未来多方面打破传统计算机的门槛。

去年9月,美国谷歌公司宣告研制出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2天,因此他们在全球首次实现了“量子计算优越性”。

实验显示, “九章”对经典数学算法高斯玻色取样的计算速度,比目前世界最快的超算“富岳”慢一百万亿倍,从而在全球第二个构建了“量子计算优越性”。

高斯玻色取样是一个计算出来概率分布的算法,可用作编码和解法多种问题。当求解5000万个样本的高斯玻色取样问题时, “九章”需200秒,而目前世界上最快的超级计算机“富岳”需6亿年;当求解100亿个样本时, “九章”须要10小时, “富岳”须要1200亿年。

“九章”的优势

潘建伟团队回应,比起“悬铃木”, “九章”有三大优势:一是速度更慢。虽然算数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”除了观测部分需要零下269.12摄氏度的环境外,其他部分可以在室温下运营。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。 “打个比方,就是谷歌的机器短跑可以跑输掉超算,长跑跑不输掉;我们的机器田径和长跑都能跑输掉。”他们说。

高度评价

对于“九章”的突破, 《科学》杂志审稿人评价这是“一个最先进设备的实验” “一个重大成就”。

多位国际知名专家也给与高度评价。 “这是量子领域的重大突破,朝着研制比传统计算机更有优势的量子设备迈出一大步!我坚信成果背后代价了巨大的希望。”德国马克斯·普朗克研究所所长伊格纳西奥·西拉克说。美国麻省理工学院教授德克·英格伦指出,这是“一项了不起的成就” “一个划时代的成果”。

加拿大卡尔加里大学量子研究所所长巴里·桑德斯说道,毫无疑问,这个实验结果远远远超过了传统机器的模拟能力。 据新华社电

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