中國量子計算機「九章」到底有多牛！

2020-12-07 寧波公安

來源：微信公眾號「共青團中央」（gqtzy2014)綜合整理自微信公眾號「風雲之聲」（ID：fyvoice）、央視新聞客戶端

最近，不斷收到一些令人振奮的好消息，比如刷屏的重磅消息——「九章」的問世。


2020年12月，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究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，構建了76個光子的量子計算原型機「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」這一特定問題的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍。等效地，其速度比去年穀歌發布的53個超導比特量子計算原型機「懸鈴木」快一百億倍。


這一成果使得我國成功達到了量子計算研究的第一個裡程碑：量子計算優越性（國外也稱之為「量子霸權」）。相關論文於12月4日在線發表在國際學術期刊《科學》。


「九章」牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，為未來實現可解決具有重大實用價值問題的規模化量子模擬機奠定了技術基礎。


「九章」真有那麼厲害？


關於「九章」的重要知識點，中國科學技術大學袁嵐峰老師為我們進行了簡單的歸納，其中包括：


◆ 量子力學是物理學的一個基礎理論。跟它相對的牛頓力學，被稱為經典力學。對微觀世界的正確描述一定要用量子力學，如果用經典力學就會犯錯。


量子信息學科內容


◆ 量子計算機是用量子力學原理製造的計算機，目前還處於很初步的階段。相應的，現有的我們在用的計算機被稱為經典計算機。


◆ 量子計算機有希望遠遠超過經典計算機，就像這裡說的，超過一百萬億倍之類。


◆ 量子計算機並不是對所有的問題都超過經典計算機，而是只對某些特定的問題超過經典計算機，因為對這些特定的問題能設計出高效的量子算法。對於沒有量子算法的問題，例如最簡單的加減乘除，量子計算機就沒有任何優勢。


◆ 九章處理的問題，叫做「高斯玻色取樣」。大致可以理解為，一個光路有很多個出口，問每一個出口有多少光出去。


2019年潘建偉和陸朝陽等人關於用玻色子取樣尋求實現量子霸權的文章


◆ 量子計算機在某個問題上超越現有的最強的經典計算機，被稱為「量子優越性」或「量子霸權」。九章的成果，就是實現了量子優越性。


◆ 2019年，谷歌第一個宣布實現了量子優越性。他們用的量子計算機叫做「懸鈴木」，處理的問題大致可以理解為：判斷一個量子隨機數發生器是不是真的隨機。


◆ 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。


◆ 請注意措辭，九章的成果牢固確立了我國在國際量子計算研究中的「第一方陣」地位。這是因為有懸鈴木在前，九章畢竟是第二個，所以只是說中國跟美國相差不遠。而在量子通信方面，我們就不說什麼「第一方陣」了。因為那裡沒有方陣，中國明確是世界最先進的！


為何「九章」如此重要？


「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。



首先是在計算機、IT和數學領域， 如實現「量子計算優越性」，在某個特定問題上的計算能力遠超現有最強的傳統計算機。此外，它還可以通過量子計算機建立量子通信網絡和量子網際網路等。



其次，在實用性上，量子計算機有廣闊的空間和範圍，如密碼破譯、大數據優化、材料設計等，都可以獲得量子計算機的支持，從而解決重大的國計民生問題，並產生巨大的經濟價值。正如有科學家預言，量子計算機會被廣泛使用，甚至每個人都可以使用。



同時，量子計算機的發展，會為人工智慧加持 ，從而減少AI應用方面的錯誤，並創造出允許早期診斷問題的智能系統。



值得一提的是，它還與藥物研發息息相關。如果運用量子計算機，只要其計算速度快過經典計算機100~1000倍，就有可能讓篩選藥物前期分子的效率提高到90%以上，費用也更為減少。前面提到的「九章」處理「高斯玻色取樣」問題，就對提升這方面的能力具有重要意義。


此外，量子計算機的快速運算還有平常卻廣泛的運用 。例如，送貨車如何選擇最有效率的路線送貨，可以藉助量子計算機的幫助。這也絕非「大材小用」。


中國物理學家研製出的「九章」，不但體現了真正的「量子計算優勢」，而且還是一臺具有潛在應用價值的量子計算裝置。
這個階段的量子計算，可能就像1814年的火車，和1903年的飛機一樣，科學意義大於實用價值。

量子計算離實用還有多遠？


對於量子計算機的研究，本領域內的國際同行公認有三個指標性的發展階段：



第一階段， 對於一些超級計算機無法解決的高複雜度特定問題實現高效求解，實現計算科學中「量子計算優越性」 的裡程碑。


第二階段， 研製可相干操縱數百個量子比特的量子模擬機 ，用於解決若干超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題（如量子化學、新材料設計、優化算法等）。


第三階段， 研製可編程的通用量子計算原型機。



經典計算機從專用機發展到通用機，走過了幾十年曆程，現在的量子計算機就還處在最早期的專用機時代。就算是最快的「九章」，也只跨越了第一階段。但不可否認，「九章」的問世是一個巨大的鼓舞，未來可期。


不管量子計算機現在有多麼初級，總有一天，它會像曾經的火車和飛機一樣，一步一步向我們走來。

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    12月4日，包括本報在內的許多媒體報導了一個量子計算的大成果：中國科學技術大學的潘建偉、陸朝陽等人構建了一臺76個光子100個模式的量子計算機「九章」，它處理「高斯玻色取樣」的速度比目前最快的超級計算機「富嶽」快一百萬億倍。也就是說，超級計算機需要一億年完成的任務，「九章」只需一分鐘。
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  • 「九章」到底有多神？
    然而，很多讀者在驚嘆這一重大科研成果的同時，卻對其中的原理、成果的意義、量子計算機的應用前景不明就裡，甚至有讀者反映，「每個漢字都認識，但還是不懂」。為此，本報記者採訪了相關專家，嘗試揭開「九章」神秘的面紗，了解量子計算機的原理。
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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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    也就是說，超級計算機需要一億年完成的任務，「九章」只需一分鐘。同時，「九章」也等效地比谷歌去年發布的53個超導比特量子計算機原型機「懸鈴木」快一百億倍。　　然而，很多讀者在驚嘆這一重大科研成果的同時，卻對其中的原理、成果的意義、量子計算機的應用前景不明就裡，甚至有讀者反映，「每個漢字都認識，但還是不懂」。
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    【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。
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    新京報貝殼財經訊（記者 羅亦丹）12月4日，由中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊構建了76個光子的量子計算原型機「九章」，該計算機處理特定問題的計算能力比目前最快的超級計算機快一百萬億倍，比2019年穀歌發布的53個超導比特量子計算原型機「懸鈴木」快一百億倍
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    同時，「九章」也等效地比谷歌去年發布的53個超導比特量子計算機原型機「懸鈴木」快一百億倍。然而，很多讀者在驚嘆這一重大科研成果的同時，卻對其中的原理、成果的意義、量子計算機的應用前景不明就裡，甚至有讀者反映，「每個漢字都認識，但還是不懂」。為此，本報記者採訪了相關專家，嘗試揭開「九章」神秘的面紗，了解量子計算機的原理。
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    2「九章」到底長什麼樣在中國科學技術大學光量子實驗室，記者見到了確立中國量子計算優越性的「九章」。」3「九章」確立的「量子計算優越性」有多厲害「九章」的成果，就是實現了量子計算優越性。「量子計算機在某個問題上超越現有的最強的經典計算機，被稱為『量子優越性』或者叫『量子霸權』。」
  • 揭開「九章」的神秘面紗，了解量子計算機的原理
    也就是說，超級計算機需要一億年完成的任務，「九章」只需一分鐘。同時，「九章」也等效地比谷歌去年發布的53個超導比特量子計算機原型機「懸鈴木」快一百億倍。然而，很多讀者在驚嘆這一重大科研成果的同時，卻對其中的原理、成果的意義、量子計算機的應用前景不明就裡，甚至有讀者反映，「每個漢字都認識，但還是不懂」。為此，本報記者採訪了相關專家，嘗試揭開「九章」神秘的面紗，了解量子計算機的原理。