中科院院士潘建偉。
這是光量子幹涉實物圖。
這是光量子幹涉示意圖。 （本欄照片：新華社發）
新華社合肥12月4日電 （記者徐海濤 周暢）200秒只是短短一瞬，6億年早已是滄海桑田。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。這一突破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。
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」。
近期，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」。
實驗顯示，當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣時，「九章」需200秒，而目前世界最快的超級計算機「富嶽」需6億年。等效來看，「九章」的計算速度比「懸鈴木」快100億倍，並彌補了「懸鈴木」依賴樣本數量的技術漏洞。
據悉，潘建偉團隊這次突破歷經20年，主要攻克高品質光子源、高精度鎖相、規模化幹涉三大技術難題。
「比如說，我們每次喝下一口水很容易，但每次喝下一個水分子很困難。」潘建偉說，光子源要保證每次只放出1個光子，且每個光子一模一樣，這是巨大挑戰。同時，鎖相精度要在10的負9次方以內，相當於100公裡距離的傳輸誤差不能超過一根頭髮直徑。
與通用計算機相比，「九章」還只是「單項冠軍」。但其超強算力，在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用價值。
12月4日，國際學術期刊《科學》發表了該成果，審稿人評價這是「一個最先進的實驗」「一個重大成就」。
裡程碑式突破！
——潘建偉團隊解說「九章」量子計算機
在一個特定賽道上，200秒的「量子算力」，相當於目前「最強超算」6億年的計算能力！12月4日，《科學》雜誌公布了中國「九章」的重大突破。
這臺由中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等學者研製的76個光子的量子計算原型機，推動全球量子計算的前沿研究達到一個新高度。儘管距離實際應用仍有漫漫長路，但成功實現了「量子計算優越性」的裡程碑式突破。
「九章」優勝在何處？裡程碑式跨越如何實現？「算力革命」走向何方？記者就這些問題採訪了潘建偉團隊。
算力新高度 技術三優勢
「量子優越性」——橫亙在量子計算研究之路上的第一道難關。
這是一個科學術語：作為新生事物的量子計算機，一旦在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機，就證明了量子計算機的優越性，跨過了未來多方面超越傳統計算機的門檻。
多年來，國際學界一直高度關注、期待這個裡程碑式轉折點到來。
去年9月，美國谷歌公司宣布研製出53個量子比特的計算機「懸鈴木」，對一個數學問題的計算只需200秒，而當時世界最快的超級計算機「頂峰」需要2天，因此他們在全球首次實現了「量子優越性」。
近期，中科大潘建偉團隊與中科院上海微系統與信息技術研究所、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」。
「取名『九章』，是為了紀念中國古代著名數學專著《九章算術》。」潘建偉說。
實驗顯示，「九章」對經典數學算法高斯玻色取樣的計算速度，比目前世界最快的超算「富嶽」快一百萬億倍，從而在全球第二個實現了「量子優越性」。
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。當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣問題時，「九章」需200秒，而目前世界上最快的超級計算機「富嶽」需6億年；當求解100億個樣本時，「九章」需10小時，「富嶽」需1200億年。
潘建偉團隊表示，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。「懸鈴木」需要零下273.12攝氏度的運行環境，而「九章」除了探測部分需要零下269.12攝氏度的環境外，其他部分可以在室溫下運行。三是彌補了技術漏洞。「懸鈴木」只有在小樣本的情況下快於超算，「九章」在小樣本和大樣本上均快於超算。
「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。」他們說。
20年努力攻克三大技術難關
對於「九章」的突破，《科學》雜誌審稿人評價這是「一個最先進的實驗」「一個重大成就」。
多位國際知名專家也給予高度評價。「這是量子領域的重大突破，朝著研製比傳統計算機更有優勢的量子設備邁出一大步！我相信成果背後付出了巨大的努力。」德國馬克斯·普朗克研究所所長伊格納西奧·西拉克說。
美國麻省理工學院教授德克·英格倫認為，這是「一項了不起的成就」「一個劃時代的成果」。
加拿大卡爾加裡大學量子研究所所長巴裡·桑德斯說，毫無疑問，這個實驗結果遠遠超出了傳統機器的模擬能力。
據了解，潘建偉團隊這次突破歷經了20年努力，從2001年開始組建實驗室，他們曾多次刷新量子糾纏數量的世界紀錄。「九章」的突破，主要攻克了三大技術難關：高品質量子光源、高精度鎖相技術、規模化幹涉技術。
其中的高品質量子光源，是目前國際上唯一同時具備高效率、高全同性、高亮度和大規模擴展能力的量子光源。「比如說，我們每次喝下一口水很容易，但要每次喝下一個水分子非常困難。」中科大教授陸朝陽說，高品質光源要保證每次只「放出」1個光子，且每個光子要一模一樣，這是巨大挑戰。同時，鎖相精度要控制在10的負9次方以內，相當於傳輸一百公裡距離，偏差不能超過一根頭髮絲的直徑。
此外，為了核驗「九章」算得「準不準」，他們用超算同步驗證。「10個、20個光子的時候，結果都能對得上，到40個光子的時候超算就比較吃力了，而『九章』一直算到了76個光子。」陸朝陽說，另一方面，超算的耗電量太大，計算40個光子時需要電費200萬元，41個光子需要400萬元，42個光子需要800萬元，推算下去將是天文數字。
「算力革命」躍馬人類未來
當前，量子計算已成為全球各國競相角逐的焦點。比如近期，歐盟宣布擬投資80億歐元，研究量子計算等新一代算力技術。
「量子計算機在原理上具有超快的並行計算能力，可望通過特定算法在密碼破譯、大數據優化、天氣預報、材料設計、藥物分析等領域，提供比傳統計算機更強的算力支持。」潘建偉說。
據了解，國際主流觀點認為，量子計算機的發展將有三個階段：
第一階段，研製50個到100個量子比特的專用量子計算機，實現「量子優越性」裡程碑式突破。
第二階段，研製可操縱數百個量子比特的量子模擬機，解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題，比如量子化學、新材料設計、優化算法等。
第三階段，大幅提高量子比特的操縱精度、集成數量和容錯能力，研製可編程的通用量子計算原型機。
目前，「九章」還處在第一階段，但在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用價值。
潘建偉團隊表示，「量子優越性」實驗並非一蹴而就的工作，而是更快的經典算法和不斷提升的量子計算硬體之間的競爭，但最終量子計算機會產生傳統計算機無法企及的算力。下一步，他們將在光子、超導、冷原子等多條技術線路上推進研究。
「我對量子計算的前景非常樂觀，世界上有很多聰明人在做這件事，包括我的中國同事們。」奧地利科學院院長、美國科學院院士安東·塞林格預測，很有可能有朝一日量子計算機會被廣泛推廣，「每個人都可以使用」。（新華社合肥12月4日電）