? ? ?世界最強！中國首次發(fā)布量子計算機原型，比最強超級計算機快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算機快一百萬億倍！」
「超越了谷歌量子計算優(yōu)越性！」
「是里程碑式突破！」
……
今天，潘建偉團隊所構建的「76個光子的量子計算原型機」一經(jīng)問世，便引起了業(yè)界巨大的反響。
并且，在線發(fā)表在了國際學術期刊Science。
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這臺量子計算原型機，名曰 「九章」，取自我國古代最早的數(shù)學著作《九章算術》，其計算速度直接問鼎 全球最快。
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這一里程碑式重大突破，是我國 首次，也是全球第二個實現(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，所以很難在經(jīng)典計算機中模擬。
因此，它被認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，潘建偉團隊進行的實驗便是求解 高斯玻色子采樣。其結果如下：
比目前全球最快的超級計算機 （富岳），快出了 一百萬億倍。
比谷歌去年推出的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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△「富岳」超級計算機
具體而言，在 5000萬個樣本情況下，「九章」在處理這個問題時，僅用了 200秒。
若是換做「富岳」，需要的時長是非常驚人的，長達 6億年之久。
而即便是全年轟動一時的谷歌「懸鈴木」，在處理這個問題的時候，也要比「九章」慢得多。
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△「懸鈴木」量子計算原型機
此外，根據(jù)另一組對比數(shù)據(jù)，也能從側面反映出「九章」之快。
去年「懸鈴木」在求解隨機線路采樣問題時，所需的時間也為200秒，但一是解決問題不同，二是樣本數(shù)量僅為100萬。
而用當時最快的超級計算機「Summit」來計算，需要2天的時間。
不難看出，這與「九章」和超級計算機的差距，不是在一個量級。
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△「Summit」超級計算機
同樣作為量子計算原型機，「九章」與「懸鈴木」相比：
?在室溫下環(huán)境下即可運行。
?彌補了依賴樣本數(shù)量的技術漏洞。
那么，「九章」具體是如何做到如此強悍的量子優(yōu)越性的呢？
「九章」成功的關鍵
整體來看，潘建偉團隊此次成功構建的「九章」，是 自主研制的76個光子 100 個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機。
量子光源方面，同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴展能力。
100模式干涉線路方面，同時滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機矩陣、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 超導納米線單光子探測器。
根據(jù)根據(jù)中國科學技術大學官網(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。
?最后利用100個高效率超導單光子探測器對干涉儀輸出光量子態(tài)進行探測。
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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這個裝置是用來實現(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物圖。
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圖中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。
對于如此的研究工作，Science審稿人給出了這樣的評價：
一個最先進的實驗 （a state-of-the-art experiment）。
一個重大成就 （a major achievement）。
潘建偉團隊出品
潘建偉是中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長，對推動中國量子計算的發(fā)展貢獻了非常大的力量。
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其團隊一直在光量子信息處理方面處于國際領先水平。
據(jù)中國科學技術大學官網(wǎng)介紹，2017年，該團隊構建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機（ENIAC）的光量子計算原型機。
2019年，團隊進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，實現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出復雜度相當于48個量子比特的希爾伯特態(tài)空間，逼近了「量子計算優(yōu)越性」。
除此之外，中國科學技術大學介紹，對于量子計算機的研究，本領域的國際同行公認有三個指標性的發(fā)展階段：
?發(fā)展具備50-100個量子比特的高精度專用量子計算機，對于一些超級計算機無法解決的高復雜度特定問題實現(xiàn)高效求解，實現(xiàn)計算科學中「量子計算優(yōu)越性」的里程碑。
?通過對規(guī)?；囿w量子體系的精確制備、操控與探測，研制可相干操縱數(shù)百個量子比特的量子模擬機，用于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(yōu)化算法等） 。
?通過積累在專用量子計算與模擬機的研制過程中發(fā)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(shù)目 （百萬量級） ，實現(xiàn)容錯量子邏輯門，研制可編程的通用量子計算原型機。
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而這次潘建偉團隊的重大突破， 牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位。
德國馬普學會量子光學研究所所長、沃爾夫獎得主 Ignacio Cirac認為：
這是量子科技領域的一個重大突破，朝著研制相比經(jīng)典計算機具有量子優(yōu)勢的量子設備，邁出一大步。
美國國家科學院院士、沃爾夫獎得主 Peter Zoller表示：
該實驗無論是在量子系統(tǒng)大小和擴展性方面，還是在實際應用前景方面，都把研究水平提升到了一個新的高度。
最后，此次科研團隊的研究者們認為：
希望這個工作能夠激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作，也預計將來會有提升的空間。
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中國量子計算原型機“九章”問世 問鼎全球最快計算機
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》報道，科幻作家劉慈欣的小說《鏡子》中有一臺超弦計算機，這臺計算機擁有幾乎無限運算和存儲能力?？苹霉适掠幸惶鞎烧鎲?？也許量子計算機能給出答案。
最近，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與合作者成功構建了76個光子的量子計算原型機“九章”。根據(jù)現(xiàn)有理論，在經(jīng)典數(shù)學算法“高斯玻色取樣”任務中，“九章”一分鐘完成的任務，超級計算機需要一億年。
量子計算機的速度有多快？曾有人打過一個比方，如果現(xiàn)在傳統(tǒng)計算機的速度是自行車，那么量子計算機的速度就好比飛機。陸朝陽介紹，由于量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力，因此量子計算機的速度可以輕松“秒殺”傳統(tǒng)經(jīng)典計算機。“量子計算機是利用量子力學的原理，量子力學可以允許一個物體同時處于多種狀態(tài)，比如0和1同時存在，它可以做并行計算，就是很多個任務可以一起完成，因此它就有了超越經(jīng)典計算機的計算能力?！?/span>
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目前我們常用的經(jīng)典計算機，在提取某個需要解決的問題時，需要把所有可能性列舉并驗證一遍，才能“找到”正確的信息，而量子計算機則可望通過特定算法實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。
當前，研制量子計算機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，潘建偉團隊成功構建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”。陸朝陽介紹：“它采取了由76個光子輸出，然后在100×100的目前世界上最大尺度的干涉儀里進行干涉，干涉的過程其實也是我們完成計算的過程?！?/span>
據(jù)了解，量子計算研究的第一個階段性目標，就是實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”，即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(tǒng)計算機，就證明了量子計算機的優(yōu)越性，跨過了未來多方面超越傳統(tǒng)計算機的門檻。潘建偉表示：“我們在高斯玻色的采樣實驗中構建了一個量子計算的原型機，可以比目前最快的超算能夠快10的14次方倍，相當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”量子計算原型機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(xiàn)規(guī)?；孔幽M機奠定了技術基礎。“‘九章號’展示了量子計算的強大算力，我們計劃把它初步用于量子化學的一些研究、圖論里面一些組合數(shù)學方面的研究，甚至也可以用于一些機器學習的研究，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》雜志審稿人評價，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。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，這是量子科技領域的一個重大突破，朝著研制相比經(jīng)典計算機具有量子優(yōu)勢的量子設備邁出了一大步。我相信這項成果背后付出了巨大的技術努力。潘教授的團隊在世界上是獨一無二的，他們產(chǎn)生了包括這個實驗在內(nèi)的很多重大成果。”
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據(jù)介紹，之所以取名“九章”，是為了紀念中國古代著名數(shù)學專著《九章算術》。潘建偉說，目前，“九章”還處于量子計算機的發(fā)展第一階段，“量子優(yōu)越性”實驗并非一蹴而就的工作，在“九章”量子原型機的基礎上，研究團隊將通過一系列技術攻關，力爭盡早研制出通用量子計算機?！跋Ｍㄟ^15年到20年的努力，能夠研制出通用的量子計算機，這樣它就可以解決很多非常廣泛的問題，比如密碼分析、氣象預報、藥物設計，然后來探索物理學、化學、生物學里面的一些復雜問題?！迸私▊フf。
洞見丨神秘量子里的中國先機
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)、智能手機到衛(wèi)星定位導航、核磁共振，幾乎所有今天新誕生的技術都與之有關。
在未來，它還將幫助人類實現(xiàn)信息傳送的絕對安全，把測量精度從目前的微米量級進一步精細千倍、萬倍，而傳統(tǒng)計算機需要數(shù)萬年才能破解的復雜密碼，對它來說，只需要短短幾秒鐘的時間。
習近平總書記曾指出，量子力學是人類探究微觀世界的重大成果。量子科技發(fā)展具有重大科學意義和戰(zhàn)略價值，是一項對傳統(tǒng)技術體系產(chǎn)生沖擊、進行重構的重大顛覆性技術創(chuàng)新，將引領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者。一系列重大突破目不暇接， “彎道超車”的中國成為整個世界的焦點。
為了充分認識推動量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢，下好先手棋，2020年10月，習近平親自主持中共中央政治局集體學習，專題研究當前國內(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、構筑發(fā)展新優(yōu)勢，習近平提出了一系列非常具體的部署。其中包括，要找準切入點和突破口，加強頂層設計和前瞻布局，健全政策支持體系，保證資金投入，加快基礎研究突破和關鍵核心技術攻關，培養(yǎng)造就高水平人才隊伍……
談“微觀世界”，抓“關鍵變量”。從實地考察到專項學習，從頂層設計到政策支持，在習近平的高度關注和積極推動下，目前，我國大批量子科技領域?qū)嶒烅椖空诩泳o研究攻關。在由習近平指揮謀劃的《中共中央關于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標的建議》中，更明確提出，未來五年，中國在包括量子信息在內(nèi)的八大前沿領域，將實施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項目。
推動科技自立自強，堅持創(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現(xiàn)更多科技創(chuàng)新“從0到1”的突破。一個更美好的未來，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