「九章」量子計算機的裡程碑意義

2020-12-18 金融界

【現象】近日，中國科學技術大學宣布，該校潘建偉團隊與中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心合作，成功構建76個光子的量子計算原型機「九章」，求解數學算法「高斯玻色取樣」只需200秒，而目前世界最快的超級計算機要用6億年。這一項研究成果刊發在國際學術期刊《科學》雜誌上，審稿人評價這是「一個最先進的實驗」「一個重大成就」。

【點評】

《九章算術》是我國古代著名的數學專著，它的出現標誌著中國古代數學形成了完整的體系。而這臺以「九章」命名的量子計算機同樣具有裡程碑意義：這一突破使我國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家，牢固確立了我國在國際量子計算研究領域的領先地位。

證明量子優越性，被認為是量子計算從理論到實踐「裡程碑的轉折點」。何為量子優越性？專家表示，「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。」通俗來講，就是用極端複雜的問題來考驗量子計算，讓它在實際應用中證明自己的實力。潘建偉團隊構建量子計算原型機「九章」，在室溫條件下運行計算「高斯玻色取樣」問題，處理5000萬個樣本只需200秒，而超級計算機則需要6億年；處理100億個樣本，「九章」只需10小時，超級計算機則需要1200億年。如此強大的算力，全面超過傳統的超級計算機，證明了「量子優越性」的存在。

作為世界科技前沿領域，研製量子計算機是世界各國角逐的焦點。此前，美國物理學家帶領的谷歌團隊宣布研製出53個量子比特的計算機「懸鈴木」，在全球首次實現「量子優越性」。而相比「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。二是環境適應性更強。三是彌補了技術漏洞。「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。」科學家的比喻生動地揭示了「九章」的領先之處。高品質光子源、高精度鎖相、規模化幹涉……一項項創新與突破，讓「九章」後來居上。

「九章」只是在量子計算第一階段樹起了一座裡程碑，未來的路還很長。一方面，無論是谷歌的「懸鈴木」處理「隨機線路取樣」，還是「九章」求解「高斯玻色取樣」，都只能用來解決某一個特定問題。另一方面，目前可用來搭建量子計算機的材料有限，未來量子計算機的突破，更有可能依賴於新材料在量子計算硬體上的創新。科學家團隊表示，「希望能夠通過15年到20年的努力，研製出通用的量子計算機，用以解決一些應用非常廣泛的問題，比如密碼分析、氣象預報、藥物設計等等，同時也可以用於進一步探索物理學、化學、生物學領域的一些複雜問題。」

任何重大科技創新從來都不是輕輕鬆鬆實現的。我國之所以能夠在量子科技領域取得一大批具有國際影響力的重大創新成果、實現從「跟跑」到「並跑」「領跑」轉變，離不開未雨綢繆的戰略謀劃和系統布局，更有賴於科學家和科技工作者奮起直追、埋頭苦幹。不畏艱難險阻、勇攀科學高峰，在量子科技領域再取得一批高水平原創成果，中國科學家定能創造更多令世人刮目相看的成績。

《 人民日報 》（ 2020年12月18日 05 版）

本文源自人民網－人民日報

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    ◆ 九章跟懸鈴木的區別，一是處理的問題不同，二是用來造量子計算機的物理體系不同。九章用的是光學，懸鈴木用的是超導。這兩個沒有孰優孰劣，只是不同的技術路線。「九章」的問世是我國在量子科技領域實現的又一飛躍，它的意義是多方面的。
  • 「九章」量子計算機的三大厲害之處
    關於」九章「量子計算機，潘建偉介紹，將實現量子計算優越性的這臺量子原型機命名為「九章」，是為了紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》。可見，所謂」九章「，就是紀念《九章算數》的量子計算機。厲害之處之一：「九章」創造了全球最快的取樣速度。
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    「九章」，實現了具有實用前景的「高斯玻色取樣」任務的快速求解。根據現有理論，該量子計算系統處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍（「九章」一分鐘完成的任務，超級計算機需要一億年）。這一成果使得我國達到了量子計算研究的第一個裡程碑：量子計算優越性，即量子霸權。與傳統的CPU不同，由於量子的特性多一個量子比特其整體的表示能力將翻倍。量子霸權是量子計算機能夠解決經典計算機實際上無法解決的問題的潛在能力。
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  • 超級計算機的100萬億倍！中國量子計算機「九章」為何這麼快？
    為何量子計算機能這麼快，其背後的技術原理是什麼？中科大「九章」相比谷歌的「懸鈴木」有哪些技術突破？而量子計算機從原理上是並行處理，操作一次可以把2的N次方數據變成另外2的N次方數據，所以操作一次量子計算機，相當於操作電子計算機2的N次方串行的次數，這就是量子計算機能夠超過電子計算機最重要的物理原因。據了解，量子計算機的計算能力與它單個晶片裡面有多少個量子比特有關，量子比特就是那個「N」。
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    這一突破使我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。「九章」，得名於中國古代最早數學專著《九章算術》。《九章算術》是中國古代張蒼、耿壽昌所撰寫的一部數學專著，全書總結了戰國、秦、漢時期的數學成就。
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    」的算力快得驚人，但它只是在量子計算第一階段樹起了一座裡程碑，未來的路還很長。這一突破使我國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家，中國科學家實現「量子計算優越性」裡程碑。「九章」解決的「高斯玻色取樣」問題就是一種。「高斯玻色取樣」是一個計算概率分布的算法，可用於編碼和求解多種問題。其計算難度呈指數增長，很容易超出目前超級計算機的計算能力，適合量子計算機來探索解決。