「九章」問世｜中國量子計算新突破

2020-12-09 南京學習在線

12月4日，中國科學技術大學宣布該校潘建偉等人成功構建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。

為何」九章」如此引人注目？

「九章」使我國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家。

「量子優越性像個門檻，是指當新生的量子計算原型機，在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機，就證明其未來有多方超越的可能。」中科大教授陸朝陽說，多年來國際學界高度關注、期待這個裡程碑式轉折點到來。

「九章」量子計算原型機光路系統原理圖 ：左上方雷射系統產生高峰值功率飛秒脈衝；左方25個光源通過參量下轉換過程產生50路單模壓縮態輸入到右方100模式光量子幹涉網絡; 最後利用100個高效率超導單光子探測器對幹涉儀輸出光量子態進行探測。(製圖：陸朝陽，彭禮超)

去年9月，美國谷歌公司推出53個量子比特的計算機「懸鈴木」，對一個數學算法的計算只需200秒，而當時世界最快的超級計算機「頂峰」需2天，實現了「量子優越性」。

光量子幹涉實物圖：左下方為輸入光學部分，右下方為鎖相光路，上方共輸出100個光學模式，分別通過低損耗單模光纖與100超導單光子探測器連接。(攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓)

近期，潘建偉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」（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》）。

「九章」到底有多厲害?

100模式相位穩定幹涉儀：光量子幹涉裝置集成在20 cm*20 cm的超低膨脹穩定襯底玻璃上, 用於實現50路單模壓縮態間的兩兩幹涉，並高精度地鎖定任意兩路光束間的相位。（攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓）

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「懸鈴木」快一百億倍。

同時，通過高斯玻色取樣證明的量子計算優越性不依賴於樣本數量，克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優越性依賴於樣本數量的漏洞。「九章」輸出量子態空間規模達到了1030（「懸鈴木」輸出量子態空間規模是1016，目前全世界的存儲容量是1022）。該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，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。

光量子幹涉示意圖 (製圖：文樂，羅弋涵)

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。

基於「九章號」量子計算原型機的高斯玻色取樣算法在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用，將是後續發展的重要方向。

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。

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。


【延伸閱讀】

量子到底是什麼？

量子（quantum）是現代物理的重要概念。即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，並把最小單位稱為量子。是由德國物理學家M·普朗克在1900年提出的。

後來的研究表明，不但能量表現出這種不連續的分離化性質，其他物理量諸如角動量、自旋、電荷等也都表現出這種不連續的量子化現象。這同以牛頓力學為代表的經典物理有根本的區別。量子化現象主要表現在微觀物理世界。描寫微觀物理世界的物理理論是量子力學。


文字來源：人民日報、共青團中央、中國科學技術大學、新華社

圖片來源：中國科學技術大學上海研究所

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