? ? ?世界最強(qiáng)！中國首次發(fā)布量子計(jì)算機(jī)原型，比最強(qiáng)超級計(jì)算機(jī)快100萬億倍?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2020-12-15? ?青野云麓

2020-12-14 來源：QbitAI

「比全球最快的超級計(jì)算機(jī)快一百萬億倍！」

「超越了谷歌量子計(jì)算優(yōu)越性！」

「是里程碑式突破！」

……

今天，潘建偉團(tuán)隊(duì)所構(gòu)建的「76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)」一經(jīng)問世，便引起了業(yè)界巨大的反響。

并且，在線發(fā)表在了國際學(xué)術(shù)期刊Science。

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這臺量子計(jì)算原型機(jī)，名曰 「九章」，取自我國古代最早的數(shù)學(xué)著作《九章算術(shù)》，其計(jì)算速度直接問鼎 全球最快。

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這一里程碑式重大突破，是我國 首次，也是全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)「量子優(yōu)越性」的國家。

正如潘建偉表示：

這一成果牢固確立了我國在國際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位。

「九章」，問鼎世界第一

「九章」的速度有多快？

以玻色子采樣 （boson sampling）問題為例，便可知其一二。

由于玻色子采樣裝置輸出配置的概率分布，和NP-Hard問題有關(guān)，所以很難在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中模擬。

因此，它被認(rèn)為是可以證明量子優(yōu)越性的問題之一。

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在這次研究中，潘建偉團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)便是求解 高斯玻色子采樣。其結(jié)果如下：

比目前全球最快的超級計(jì)算機(jī) （富岳），快出了 一百萬億倍。

比谷歌去年推出的53 個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī)「懸鈴木」，快 一百億倍。

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△「富岳」超級計(jì)算機(jī)

具體而言，在 5000萬個(gè)樣本情況下，「九章」在處理這個(gè)問題時(shí)，僅用了 200秒。

若是換做「富岳」，需要的時(shí)長是非常驚人的，長達(dá) 6億年之久。

而即便是全年轟動一時(shí)的谷歌「懸鈴木」，在處理這個(gè)問題的時(shí)候，也要比「九章」慢得多。

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△「懸鈴木」量子計(jì)算原型機(jī)

此外，根據(jù)另一組對比數(shù)據(jù)，也能從側(cè)面反映出「九章」之快。

去年「懸鈴木」在求解隨機(jī)線路采樣問題時(shí)，所需的時(shí)間也為200秒，但一是解決問題不同，二是樣本數(shù)量僅為100萬。

而用當(dāng)時(shí)最快的超級計(jì)算機(jī)「Summit」來計(jì)算，需要2天的時(shí)間。

不難看出，這與「九章」和超級計(jì)算機(jī)的差距，不是在一個(gè)量級。

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△「Summit」超級計(jì)算機(jī)

同樣作為量子計(jì)算原型機(jī)，「九章」與「懸鈴木」相比：

?在室溫下環(huán)境下即可運(yùn)行。

?彌補(bǔ)了依賴樣本數(shù)量的技術(shù)漏洞。

那么，「九章」具體是如何做到如此強(qiáng)悍的量子優(yōu)越性的呢？

「九章」成功的關(guān)鍵

整體來看，潘建偉團(tuán)隊(duì)此次成功構(gòu)建的「九章」，是 自主研制的76個(gè)光子 100 個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī)。

量子光源方面，同時(shí)具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴(kuò)展能力。

100模式干涉線路方面，同時(shí)滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機(jī)矩陣、波包重合度優(yōu)于 99.5%、通過率優(yōu)于 98% 。

還具備相對光程 10-9 以內(nèi)的鎖相精度，高效率 100 通道 超導(dǎo)納米線單光子探測器。

根據(jù)根據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)介紹，下圖便是「九章」的光路系統(tǒng)原理圖。

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?左上方激光系統(tǒng)產(chǎn)生高峰值功率飛秒脈沖。

?左方25個(gè)光源通過參量下轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生50路單模壓縮態(tài)輸入到右方100模式光量子干涉網(wǎng)絡(luò)。

?最后利用100個(gè)高效率超導(dǎo)單光子探測器對干涉儀輸出光量子態(tài)進(jìn)行探測。

下圖則是光量子干涉裝置，集成在20 cm x 20 cm的超低膨脹穩(wěn)定襯底玻璃上。

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這個(gè)裝置是用來實(shí)現(xiàn)50路單模壓縮態(tài)間的兩兩干涉，并高精度地鎖定任意兩路光束間的相位。

下圖是光量子干涉的實(shí)物圖。

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圖中左下方為輸入光學(xué)部分，右下方為鎖相光路，上方共輸出100個(gè)光學(xué)模式，分別通過低損耗單模光纖與100超導(dǎo)單光子探測器連接。

對于如此的研究工作，Science審稿人給出了這樣的評價(jià)：

一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn) （a state-of-the-art experiment）。

一個(gè)重大成就 （a major achievement）。

潘建偉團(tuán)隊(duì)出品

潘建偉是中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長，對推動中國量子計(jì)算的發(fā)展貢獻(xiàn)了非常大的力量。

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其團(tuán)隊(duì)一直在光量子信息處理方面處于國際領(lǐng)先水平。

據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)介紹，2017年，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)（ENIAC）的光量子計(jì)算原型機(jī)。

2019年，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特的希爾伯特態(tài)空間，逼近了「量子計(jì)算優(yōu)越性」。

除此之外，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)介紹，對于量子計(jì)算機(jī)的研究，本領(lǐng)域的國際同行公認(rèn)有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：

?發(fā)展具備50-100個(gè)量子比特的高精度專用量子計(jì)算機(jī)，對于一些超級計(jì)算機(jī)無法解決的高復(fù)雜度特定問題實(shí)現(xiàn)高效求解，實(shí)現(xiàn)計(jì)算科學(xué)中「量子計(jì)算優(yōu)越性」的里程碑。

?通過對規(guī)模化多體量子體系的精確制備、操控與探測，研制可相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，用于解決若干超級計(jì)算機(jī)無法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問題 （如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等） 。

?通過積累在專用量子計(jì)算與模擬機(jī)的研制過程中發(fā)展起來的各種技術(shù)，提高量子比特的操縱精度使之達(dá)到能超越量子計(jì)算苛刻的容錯(cuò)閾值 （>99.9%） ，大幅度提高可集成的量子比特?cái)?shù)目 （百萬量級） ，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子邏輯門，研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。

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而這次潘建偉團(tuán)隊(duì)的重大突破， 牢固確立了我國在國際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位。

德國馬普學(xué)會量子光學(xué)研究所所長、沃爾夫獎得主 Ignacio Cirac認(rèn)為：

這是量子科技領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，朝著研制相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有量子優(yōu)勢的量子設(shè)備，邁出一大步。

美國國家科學(xué)院院士、沃爾夫獎得主 Peter Zoller表示：

該實(shí)驗(yàn)無論是在量子系統(tǒng)大小和擴(kuò)展性方面，還是在實(shí)際應(yīng)用前景方面，都把研究水平提升到了一個(gè)新的高度。

最后，此次科研團(tuán)隊(duì)的研究者們認(rèn)為：

希望這個(gè)工作能夠激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作，也預(yù)計(jì)將來會有提升的空間。

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中國量子計(jì)算原型機(jī)“九章”問世 問鼎全球最快計(jì)算機(jī)

2020-12-05? ?央廣網(wǎng)官方帳號

央廣網(wǎng)北京12月5日消息（記者王利）據(jù)中央廣播電視總臺中國之聲《新聞縱橫》報(bào)道，科幻作家劉慈欣的小說《鏡子》中有一臺超弦計(jì)算機(jī)，這臺計(jì)算機(jī)擁有幾乎無限運(yùn)算和存儲能力。科幻故事有一天會成真嗎？也許量子計(jì)算機(jī)能給出答案。

最近，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與合作者成功構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。根據(jù)現(xiàn)有理論，在經(jīng)典數(shù)學(xué)算法“高斯玻色取樣”任務(wù)中，“九章”一分鐘完成的任務(wù)，超級計(jì)算機(jī)需要一億年。

量子計(jì)算機(jī)的速度有多快？曾有人打過一個(gè)比方，如果現(xiàn)在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度是自行車，那么量子計(jì)算機(jī)的速度就好比飛機(jī)。陸朝陽介紹，由于量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，因此量子計(jì)算機(jī)的速度可以輕松“秒殺”傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。“量子計(jì)算機(jī)是利用量子力學(xué)的原理，量子力學(xué)可以允許一個(gè)物體同時(shí)處于多種狀態(tài)，比如0和1同時(shí)存在，它可以做并行計(jì)算，就是很多個(gè)任務(wù)可以一起完成，因此它就有了超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力?！?/span>

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目前我們常用的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，在提取某個(gè)需要解決的問題時(shí)，需要把所有可能性列舉并驗(yàn)證一遍，才能“找到”正確的信息，而量子計(jì)算機(jī)則可望通過特定算法實(shí)現(xiàn)指數(shù)級別的加速。

當(dāng)前，研制量子計(jì)算機(jī)已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。經(jīng)過二十多年研究攻關(guān)，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了76個(gè)光子100個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。陸朝陽介紹：“它采取了由76個(gè)光子輸出，然后在100×100的目前世界上最大尺度的干涉儀里進(jìn)行干涉，干涉的過程其實(shí)也是我們完成計(jì)算的過程?！?/span>

據(jù)了解，量子計(jì)算研究的第一個(gè)階段性目標(biāo)，就是實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”，即作為新生事物的量子計(jì)算機(jī)，一旦在某個(gè)問題上的計(jì)算能力超過了最強(qiáng)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，就證明了量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性，跨過了未來多方面超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的門檻。潘建偉表示：“我們在高斯玻色的采樣實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建了一個(gè)量子計(jì)算的原型機(jī)，可以比目前最快的超算能夠快10的14次方倍，相當(dāng)于這里算一分鐘的東西，用‘富岳號’算要算一億年才能算完，這就叫做量子優(yōu)越性?！?/span>

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潘建偉說，“九章號”量子計(jì)算原型機(jī)確立了我國在國際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位，為未來實(shí)現(xiàn)規(guī)?；孔幽M機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。“‘九章號’展示了量子計(jì)算的強(qiáng)大算力，我們計(jì)劃把它初步用于量子化學(xué)的一些研究、圖論里面一些組合數(shù)學(xué)方面的研究，甚至也可以用于一些機(jī)器學(xué)習(xí)的研究，我們可以用它做一些有效的、有益的探索?！?/span>

對于“九章”的突破，《科學(xué)》雜志審稿人評價(jià)，這是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”“一個(gè)重大成就”。多位國際知名專家也給予高度評價(jià)。德國馬普所所長、沃爾夫獎得主伊格納西奧?西拉克說：“總體來說，這是量子科技領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，朝著研制相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有量子優(yōu)勢的量子設(shè)備邁出了一大步。我相信這項(xiàng)成果背后付出了巨大的技術(shù)努力。潘教授的團(tuán)隊(duì)在世界上是獨(dú)一無二的，他們產(chǎn)生了包括這個(gè)實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的很多重大成果。”

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據(jù)介紹，之所以取名“九章”，是為了紀(jì)念中國古代著名數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。潘建偉說，目前，“九章”還處于量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展第一階段，“量子優(yōu)越性”實(shí)驗(yàn)并非一蹴而就的工作，在“九章”量子原型機(jī)的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)將通過一系列技術(shù)攻關(guān)，力爭盡早研制出通用量子計(jì)算機(jī)。“希望通過15年到20年的努力，能夠研制出通用的量子計(jì)算機(jī)，這樣它就可以解決很多非常廣泛的問題，比如密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)，然后來探索物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)里面的一些復(fù)雜問題。”潘建偉說。

洞見丨神秘量子里的中國先機(jī)

2020-12-07來源：央視新聞

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　量子，微觀世界的神秘存在，它是不可分割的最小單位，可以“糾纏”，可以“疊加”，特性怪異而奇特。它有著與人們熟知的世界截然不同的物理規(guī)則，奧妙萬千，充滿未知。

　　從互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)到衛(wèi)星定位導(dǎo)航、核磁共振，幾乎所有今天新誕生的技術(shù)都與之有關(guān)。

　　在未來，它還將幫助人類實(shí)現(xiàn)信息傳送的絕對安全，把測量精度從目前的微米量級進(jìn)一步精細(xì)千倍、萬倍，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要數(shù)萬年才能破解的復(fù)雜密碼，對它來說，只需要短短幾秒鐘的時(shí)間。

　　習(xí)近平總書記曾指出，量子力學(xué)是人類探究微觀世界的重大成果。量子科技發(fā)展具有重大科學(xué)意義和戰(zhàn)略價(jià)值，是一項(xiàng)對傳統(tǒng)技術(shù)體系產(chǎn)生沖擊、進(jìn)行重構(gòu)的重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向。

　　今天，中國已經(jīng)成為全球“第二次量子革命”的重要推動者和引領(lǐng)者。一系列重大突破目不暇接， “彎道超車”的中國成為整個(gè)世界的焦點(diǎn)。

　　為了充分認(rèn)識推動量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢，下好先手棋，2020年10月，習(xí)近平親自主持中共中央政治局集體學(xué)習(xí)，專題研究當(dāng)前國內(nèi)外量子科技的發(fā)展態(tài)勢。針對中國量子科技如何搶占國際競爭制高點(diǎn)、構(gòu)筑發(fā)展新優(yōu)勢，習(xí)近平提出了一系列非常具體的部署。其中包括，要找準(zhǔn)切入點(diǎn)和突破口，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和前瞻布局，健全政策支持體系，保證資金投入，加快基礎(chǔ)研究突破和關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，培養(yǎng)造就高水平人才隊(duì)伍……

　　談“微觀世界”，抓“關(guān)鍵變量”。從實(shí)地考察到專項(xiàng)學(xué)習(xí)，從頂層設(shè)計(jì)到政策支持，在習(xí)近平的高度關(guān)注和積極推動下，目前，我國大批量子科技領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目正在加緊研究攻關(guān)。在由習(xí)近平指揮謀劃的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中，更明確提出，未來五年，中國在包括量子信息在內(nèi)的八大前沿領(lǐng)域，將實(shí)施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項(xiàng)目。

　　推動科技自立自強(qiáng)，堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展。為全面塑造發(fā)展新優(yōu)勢，今日中國正以前所未有的勇氣和魄力去實(shí)現(xiàn)更多科技創(chuàng)新“從0到1”的突破。一個(gè)更美好的未來，即將到來。

　　總監(jiān)制丨駱紅秉 王姍姍

　　監(jiān)制丨耿志民

　　制片人丨韓任偉

　　編導(dǎo)丨桑夢媛

　　剪輯丨鄭華

　　音編｜王安然

　　視覺丨高凌瀟 黃子俊

　　配音丨王帥天

　　統(tǒng)籌丨楊波 寇琳陽

　　素材支持｜王藝諾