這一突破使我國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。
12月4日,中國科學技術大學宣布:中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作,構建了76個光子的量子計算原型機“九章”。
“九章”的命名,旨在紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》。
量子優越性,即谷歌此宣稱的“量子霸權”,是近年量子計算中備受關注的一個方向,“九章”的成功,使得我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑!
量子計算是指利用量子相干疊加原理,能夠解決超出傳統計算機的一些問題,具有超快的并行計算和模擬能力的計算機。
而光量子計算機包含3個主要部分:
第一部分是單光子源,在零下269攝氏度的低溫中,這個設備通過激光激發量子點,每次產生一個高品質的單光子。
第二部分是超低損耗光量子線路。單光子通過開關分成5路,通過光纖導入主體設備光學量子網絡。
第三部分是單光子探測器,探測矩陣中得到的量子計算結果。
而潘建偉團隊的實驗用光子實現量子計算過程,大部分實驗均在常溫下進行。
圖 | “九章”量子計算原型機光路系統原理圖
他們將一束定制的激光分成強度相等的13條路徑,聚焦在25個晶體上產生25個特殊狀態的量子光源,光源通過2米自由空間和20米光纖(其中5米纏繞在一個壓電陶瓷上),進入干涉儀和彼此 “對話”,最后的輸出結果由100個超導納米線單光子探測器探測,最終有76個探測器探測到了光子。
“高斯玻色采樣”是一種復雜的采樣計算,當問題規模超過超過某個值時,任何傳統計算機都無法有效模擬,而玻色采樣就是這些特定問題中的一個。但玻色采樣所需要的單光子源在實驗上很難大規模實現,因此人們考慮問題的一個變種——高斯玻色,一個更高效的計算采樣概率的方法,大大減少了模擬采樣所需的代價。
根據目前最優的經典算法,“九章”對于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“富岳”快100萬億倍,等效對比谷歌去年發布的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于樣本數量,克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優越性依賴于樣本數量的漏洞。“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)。
加拿大卡爾加里大學教授、量子科學和技術研究所所長 Barry Sanders 表示:
我認為這是一項杰出的工作,改變了當前的格局 ( It’s the game changer)。我們一直努力證明量子信息處理可以戰勝經典的信息處理。這個實驗使經典計算機望塵莫及。
去年,谷歌取得了一項巨大的成果,即量子計算優越性,但這是有爭議的……這個實驗(潘建偉院士團隊的實驗)不存在爭論,毫無疑問,該實驗取得的結果遠遠超出了傳統機器的模擬能力。
此外,基于“九章”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,將是后續發展的重要方向。
“九章”背后的團隊:量子優越性實驗并不是一蹴而就
在光量子信息處理方面,潘建偉團隊一直處于國際領先水平。
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空間,逼近了“量子計算優越性”。
而本次成果,則進一步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。
如今,各個國家都希望爭奪科技的制高點,量子科學的科技應用很可能是致勝的關鍵。
值得注意的是,相關的論文已經于12月3日凌晨在線發表在國際知名的學術期刊《科學》上。
《科學》雜志審稿人評價該工作是“一個最先進的實驗”、“一個重大成就”。此外,還有許多來自美國科學院、知名大學、研究機構的專家,對于此次量子科學領域的最新成果都給予了高度評價。
對于此次研究,參與者陸朝陽在接受采訪時表示,希望這個工作能夠激發更多的經典算法模擬方面的工作,也預計將來會有提升的空間。量子優越性實驗并不是一個一蹴而就的工作,而是更快的經典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭,但最終量子并行性會產生經典計算機無法企及的算力。