中國實現量子計算第一個裡程碑：原型機「九章」比最快的超級計算機快一百萬億倍

2020-12-05 CSDN

整理 | 高衛華

頭圖 | AAAS官網

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

12月4日，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊發布了一項重磅研究成果：構建的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。

目前這一研究論文已被國際頂尖雜誌《Science》刊發，《Science》雜誌的審稿人評價該工作是「一個最先進的實驗」（a state-of-the-art experiment）、「一個重大成就」（a major achievement）。

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。量子優勢是更快解決問題的能力。從計算複雜性理論的角度來說，這通常意味著提供一個超越已知或可能的經典算法的指數級加速。

2019年，谷歌曾發表過一篇論文：《A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits》，通過超導量子位，展示了量子霸權的實現藍圖。

之後，谷歌又發表了一篇關於量子霸權（Quantum Supremacy）的論文，登上了Nature雜誌150年刊的封面。論文中聲稱，谷歌的量子計算機僅用200秒就完成了傳統計算機需要上萬年才完成的任務。

但這項成果卻存在爭議，IBM對其提出了質疑：如果優化算法超算也僅需要幾天時間就可以完成，完全談不上什麼霸權。

而對於此次的發布的「九章」，加拿大卡爾加裡大學教授 量子科學和技術研究所所長Barry Sanders表示，潘建偉院士團隊的這項實驗不存在爭議，該實驗取得的結果顯然遠遠超出了傳統機器的模擬能力。

事實上，根據目前最優的經典算法，「九章」對於處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級計算機「富嶽」快一百萬億倍，等效地比谷歌去年發布的53比特量子計算原型機Sycamore快一百億倍。

「九章」量子計算原型機光路系統原理圖 (製圖：陸朝陽、彭禮超)

當前，研製量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰之一，成為歐美各發達國家角逐的焦點。量子計算機有望執行某些傳統計算機難以處理的任務，其在原理上具有超快的並行計算能力。對於量子計算機的研究，本領域的國際同行公認有三個指標性的發展階段：

一、發展具備50-100個量子比特的高精度專用量子計算機，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。

二、通過對規模化多體量子體系的精確製備、操控與探測，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）。

三、通過積累在專用量子計算與模擬機的研製過程中發展起來的各種技術，提高量子比特的操縱精度使之達到能超越量子計算苛刻的容錯閾值（>99.9%），大幅度提高可集成的量子比特數目（百萬量級），實現容錯量子邏輯門，研製可編程的通用量子計算原型機。

在光量子信息處理方面，潘建偉團隊一直處於國際領先水平。2017年，該團隊構建了世界首臺超越早期經典計算機（ENIAC）的光量子計算原型機；2019年，團隊進一步研製了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實現了20光子輸入60模式幹涉線路的玻色取樣，輸出複雜度相當於48個量子比特的希爾伯特態空間，逼近了「量子計算優越性」。

近期，該團隊通過自主研製同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規模擴展能力的量子光源，同時滿足相位穩定、全連通隨機矩陣、波包重合度優於99.5%、通過率優於98%的100模式幹涉線路，相對光程10-9以內的鎖相精度，高效率100通道超導納米線單光子探測器，成功構建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機「九章」。

（論文連結：https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770?rss=1）


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