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200秒完成6亿年工作,中国量子计算机“九章”如何碾压美国和日本的计算机?

中国量子计算机“九章”花200秒能完成的工作,目前世界上最快的超级计算机“富岳”(日本富士通与日本理化学研究所共同开发的超级电脑),要工作6亿年。

中国的“九章”面世。

中国的“九章”面世。

12月4日,中国科学技术大学宣布潘建伟、陆朝阳等的研究团队,成功构建76个光子的量子计算机“九章”,根据现有理论,它比日本的“富岳”超级计算机快100万亿倍。

《科学》期刊也在刊登了这一重磅成果。

《科学》期刊也在刊登了这一重磅成果。

100万亿,就是1后面跟着足足14个0,这个巨大的数字让人头晕目眩。顶级学术期刊《科学》也在今天刊登了这一重磅成果,审稿人们的评价同样难掩激动:“一个重大成就”、“一个最先进的实验”。

媒体第一时间,求教“九章”团队核心成员、2019年“科学探索奖”获奖人、中科大教授陆朝阳,只想搞清楚一个问题:“九章”,这个得名于中国古代最早数学专著《九章算术》的量子计算原型机,到底有多厉害?

中科大教授陆朝阳。

中科大教授陆朝阳。

对“九章”的每一篇报道,都会提到一个词“量子优越性”。有了“九章”,中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家,也确立了国际量子计算研究中第一方阵的地位。

什么是“量子优越性”?陆朝阳这样告诉我们:“如果量子计算原型机,在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机,就证明量子计算在未来有多方超越的可能。”

或者说得再通俗一点。尽管理论勾勒出的美好前景令人神往,但量子计算还需要在现实中证明自己的实力。科学家们选择了极端复杂的问题来考验量子计算,让它在实际应用中“秀出肌肉”。证明“量子优越性”,被认为是量子计算从理论到实践“里程碑式的转折点”。

“我行。”这是“九章”给出的答案。如果将样本扩大到100亿个,“九章”只需要10小时,但超级计算机需要1200亿年,而地球从诞生至今,只有约46亿年。通过“九章”,量子计算的并行计算能力,全面碾压了传统计算机。这就是“量子优越性”,因为差距过于夸张,”量子优越性“甚至被称为“量子霸权”。

“九章”的主要对手,是美国谷歌的量子计算机“悬铃木”,也可以算一笔账。

“悬铃木”选择解决的问题,大方向也都是量子采样,“九章”主攻“高斯玻色采样”,“悬铃木”选择“随机线路采样”。

悬铃屠龙 号令天下 九章不出 谁与争锋 。中国科学技术大学 图片

悬铃屠龙 号令天下 九章不出 谁与争锋 。中国科学技术大学 图片

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。由于采用超导体系,“悬铃木”必须全程在零下273.12℃(30mK)的超低温环境下运行,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。

“九章”开发者陆朝阳说,“打个比方,就是谷歌的机器短跑可以跑赢超算,长跑跑不赢;我们的机器短跑和长跑都能跑赢。”

“九章”的输出态空间(量子纠缠可能出现的状态)达到了10的30次方,记录这些状态,用光世界上左右的内存、硬盘、光盘还不够,“悬铃木”的输出态空间则是10的16次方,两者相差十几个数量级。”陆朝阳表示。

值得一提的是,量子计算走到今天,已然展现出了诱人的应用前景。基于“九章号”量子计算原型机的“高斯玻色取样算法”在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用,将是后续发展的重要方向。

50匹马和一根头发丝。

“我们需要50路光子同时通过20多米的光层,每一路都要保持25纳米的精度,这相当于你让50匹马一起跑过100公里,必须同时到达,每匹马的误差,不能超过一根头发丝。”陆朝阳对于“九章”实现难度的形容,让人倒抽一口冷气。

“从工作想法来说,‘九章’的创新在于以压缩态作为输入来源,来做高斯玻色采样,在具体实现方面,发展了四项关键性的技术。”陆朝阳介绍说。证明“量子优越性”不光要能计算,还要能出题,能测量。

“50匹马和一根头发丝的比喻,是在形容我们达到的10的负9次方的锁相精度,除此之外,我们还提供了国际上唯一一个具备高效率、高全同性、高亮度和大规模扩展能力的量子光源,构建起大规模、全联通、通过率接近100%的矩阵相位,还能以非常高的效率来探测收集到的单光子,这其中每一项,都是一个很大的挑战。”陆朝阳进一步解释。

高品质光子源、高精度锁相、规模化干涉……一项项创新与突破,让“九章”后来居上。专用机?通用机?“九章”的强悍实力,让围观群众很难不随之联想,“除了实现‘量子优越性’,只能解决特定问题的‘九章’还有什么用?”再进一步,就像传统计算机花了20多年,走过从专用到通用的历程一样,我们离通用量子计算机还有多远?

“很多人对通用量子计算机,有非常强大的执念。”陆朝阳说,“其实我想告诉大家,如果我们能产生一些有实用价值的专用量子计算机,已经有很大的社会和商业价值,比如‘九章’解决的,其实是数学问题,未来可以映射到制药、材料设计等很多领域,每个问题的解决,可能都是个百亿美元级别的产业。”

“九章”相当于76个量子比特,而通用量子计算机可能需要上千万个量子比特。“过高的期望,随之会产生大量的泡沫。”陆朝阳介绍说,“对于通用量子计算机,我们普遍认为,还需要15-20年的时间,每一个专用机,都是量子计算前进路上的垫脚石。只有一步一步走,沿途下蛋,才能保证量子计算领域的健康发展,避免‘量子寒冬’的到来。”

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