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「九章」問鼎 確立中國在國際量子計算研究第一方陣地位

光量子干涉實物圖: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(中國科學技術大學供圖)
「九章」量子計算原型機光路系統原理圖:左上方激光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模式光量子干涉網絡;最後利用100個高效率超導單光子探測器對干涉儀輸出光量子態進行探測。製圖/陸朝陽 彭禮超(中國科學技術大學供圖)

 

在競爭激烈的量子科技前沿,中國科學家又樹立起了一座舉世矚目的里程碑。

據新華社報道,12月4日,中國科學技術大學宣布,該校潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家並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」,求解數學算法「高斯玻色取樣」,處理5000萬個樣本只需200秒,而目前世界最快的超級計算機要用6億年。相關論文於12月4日在線發表在國際學術期刊《科學》。《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」。

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。基於「九章」的「高斯玻色取樣」算法,未來將在圖論、機器學習、量子化學等領域具有重要的潛在應用價值。

「九章」在一分鐘時間裏完成了經典超級計算機一億年才能完成的任務

據潘建偉團隊介紹,之所以將這台量子計算機命名為「九章」,是為了紀念中國古代數學專著《九章算術》。

《九章算術》是中國古代張蒼、耿壽昌所撰寫的一部數學專著,它的出現標誌中國古代數學形成了完整的體系,是一部具有里程碑意義的歷史著作。而這台名為「九章」的新機器,同樣具有里程碑意義。

量子計算機具有超快並行計算能力,它通過特定算法在一些重大問題方面實現指數級別的加速。「九章」解決的「高斯玻色取樣」問題就是一種。

「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。其計算難度呈指數增長,很容易超出目前超級計算機的計算能力,適合量子計算機來探索解決。

在本研究中,潘建偉團隊構建的76個光子的量子計算原型機「九章」,實現了「高斯玻色取樣」任務的快速求解。

「九章」的算力究竟有多強?在室溫條件下運行(除光子探測部分需4K低溫),計算「高斯玻色取樣」問題,「九章」處理5000萬個樣本只需200秒,超級計算機則需要6億年;處理100億個樣本,「九章」只需10小時,超級計算機則需要1200億年——而宇宙誕生至今不過約137億年。

「『九章』在一分鐘時間裏完成了經典超級計算機一億年才能完成的任務。」該研究的通訊作者之一、中國科學技術大學教授陸朝陽說。

為了核驗「九章」算得「準不準」,潘建偉團隊用超算同步驗證。「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。」陸朝陽告訴記者。

美國麻省理工學院副教授,青年科學家總統獎、斯隆獎得主德克·英格倫評價說,潘建偉團隊的研究「是一個劃時代的成果」,是「開發中型量子計算機的里程碑」。維也納大學教授、美國物理學會會士菲利普·沃爾澤也認為:「他們在實驗中拿到了目前最強經典計算機萬億年才能給出的計算結果,為量子計算機的超強能力給出了強有力的證明。」

「九章」處理「高斯玻色取樣」的速度,等效比較下較谷歌開發的超導比特量子計算原型機「懸鈴木」快100億倍

眼下,研製量子計算機作為世界科技前沿,成為歐美髮達國家角逐的焦點。

2019年10月,美國物理學家約翰·馬丁尼斯帶領的谷歌團隊宣布研製出53個量子比特的計算機「懸鈴木」(sycamore)。「懸鈴木」完成100萬次隨機線路取樣任務只需200秒,而當時世界最快的超級計算機「頂峰」需要2天。美國科學家得以在全球首次實現了「量子計算優越性」。

所謂的「量子計算優越性」,又稱「量子霸權」,這一科學術語是指: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,使其跨過了未來在多方面超越傳統計算機的門檻。

事實上,就在谷歌宣布「懸鈴木」的同期,潘建偉團隊已經實現了20光子輸入60模式干涉線路的「玻色取樣」,輸出複雜度相當於48個量子比特的希爾伯特態空間,逼近了「量子計算優越性」。

近期,該團隊通過在量子光源、量子干涉、單光子探測器等領域的自主創新,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」。「九章」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模式干涉線路,相對光程10的負9次方以內的鎖相精度,高效率100通道超導納米線單光子探測器。

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「富岳」快一百萬億倍,從而在全球第二個實現了「量子計算優越性」。

陸朝陽介紹稱,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。由於採用超導體系,「懸鈴木」必須全程在零下273.12攝氏度(30mK)的超低溫環境下運行,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。」

「這項工作確實非常重要。」奧地利科學院院長、沃爾夫獎得主、美國科學院院士安東·塞林格說:「全世界正在研發量子計算,致力於展示超越常規計算機的能力。潘建偉和他的同事證明,基於光子(光的粒子)的量子計算機也可能實現『量子計算優越性』。」英國劍橋大學教授、英國物理學會托馬斯·楊獎章獲得者米特·阿塔圖爾指出:「對於量子計算這個蓬勃發展的領域來說,這確實是一個驚艷時刻。陸教授和潘教授的這一成就將光子和基於光子的量子技術置於世界舞台中央。」

未來的競爭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

「九章」量子計算原型機的誕生,是否意味着我國在「量子爭霸」上已經取得勝利?人類是否馬上就要進入量子計算的時代?我們可以用它來做些什麼?

對於量子計算機的研究,該領域的國際同行公認有三個指標性的發展階段:第一階段是發展具備50至100個量子比特的高精度專用量子計算機,對於一些超級計算機無法解決的高複雜度特定問題實現高效求解,實現計算科學中量子計算優越性的里程碑;第二階段是研製可相干操縱數百個量子比特的量子模擬機,用於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;第三階段是大幅度提高可集成的量子比特數目至百萬量級,實現容錯量子邏輯門,研製可編程的通用量子計算原型機。

潘建偉團隊透露,儘管「九章」的算力快得驚人,但它只是在量子計算第一階段樹起了一座里程碑,未來的路還很長。

在人們對算力需求指數級增長的時代,量子計算機已然成為世界前沿的兵家必爭之地。最近美國公布了量子計算領域的最新計劃,英國、歐盟、日本等國家也早有相應規劃。我國「九章」的研製成功,不僅取得了「量子計算優越性」的里程碑式進展,也為第二步——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提供了潛在的前景。

眼下,無論是谷歌的「懸鈴木」處理「隨機線路取樣」,還是「九章」求解「高斯玻色取樣」,都只能用來解決某一個特定問題。潘建偉解釋,這是因為目前可用來搭建量子計算機的材料有限,只能「就食材做菜」,未來量子計算機的突破,更有可能依賴於新材料在量子計算硬件上的創新。「這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。」潘建偉說。

潘建偉透露,在「九章」量子計算原型機的基礎上,他們將通過提高量子比特的操縱精度等一系列技術攻關,力爭儘早研製出可編程的通用量子計算原型機。「希望能夠通過15年到20年的努力,研製出通用的量子計算機,用以解決一些應用非常廣泛的問題,比如密碼分析、氣象預報、藥物設計等等,同時也可以用於進一步探索物理學化學生物學領域的一些複雜問題。」

「我們現在證明了,中國人在國內也可以做好『科學』」

安徽合肥,中國科學院量子信息與量子科技創新研究院,最新研製成功的量子計算原型機「九章」幾乎佔據了半個實驗室,包含上千個部件。這是潘建偉團隊經過20多年研究攻關研製而成。

時間撥轉到20多年前,量子力學的誕生地奧地利,潘建偉在因斯布魯克大學初見他的導師塞林格。塞林格教授坐在一把椅子上,背後是一座諾貝爾獎獲得者使用過的掛鐘和奧地利物理學家玻爾茲曼用過的一塊黑板。塞林格問潘建偉:「你未來的計劃是什麼?」潘建偉回答:「將來在中國建一個和這裏一樣好的實驗室。」

2001年,潘建偉作為中科院引進國外傑出人才,同時獲得中科院基礎局和人教局支持,回國在中國科學技術大學組建了量子物理與量子信息實驗室。實驗室以一批年輕教師和學生為班底,雖然是從零開始,但組建之初就得到有關科技主管部門和中國科學技術大學的大力支持。

中國科學技術大學的量子物理與量子信息實驗室常常燈火通明,潘建偉和他的夥伴們每天工作15個小時以上,通宵工作是家常便飯。一項項科研成果不斷湧現:2012年,首次實現了百公里級的雙向量子糾纏分發和量子隱形傳態;2016年8月,牽頭研製並成功發射國際上首顆量子科學實驗衞星「墨子號」;2017年5月,建成世界首台超越早期經典計算機的光量子計算機……

回顧這些年來逐夢量子世界的點點滴滴,潘建偉感慨,從回國籌建實驗室時的400萬元啟動經費,到近年來全國幾十個科研單位支撐建設的量子衞星「墨子號」,到全長2000多公里的量子通信「京滬幹線」工程,再到研製量子計算原型機「九章」,都離不開國家的強力支持。

「團隊所獲得的持續支持和所取得的成績不僅彰顯着我國不斷提高的綜合國力和科技創新能力,也充分反映了我國對支持戰略性前沿基礎科學研究的敏銳判斷力和決策力。」潘建偉說。

潘建偉回憶,多年前,他首次提出利用衞星實現自由空間量子通信的構想,然而這個「前無古人、聞所未聞」的想法卻遭到質疑:量子信息科學,歐洲、美國都剛剛起步,我們為什麼現在要做?

幸運的是,這個計劃最終獲得了中國科學院的支持。藉助於中國科學院空間科學先導專項正式立項的「量子科學實驗衞星」,潘建偉團隊得以打開量子世界的又一扇大門。

「如果說當年楊振寧和李政道先生證明,中國人在國外可以做好『科學』。那麼我們現在證明了,中國人在國內也可以做好『科學』。」潘建偉說。

走進潘建偉團隊的量子實驗室,進門正面的牆上,掛着中國科學院院士、著名核物理學家趙忠堯先生在《我的回憶》中的一段話:「回想自己的一生,經歷過許多坎坷,唯一的希望就是祖國繁榮昌盛,科學發達。我們已經盡了自己的力量,但國家尚未擺脫貧窮與落後,尚需當今與後世無私的有為青年再接再厲,繼續努力。」

為了實現新的劃時代的「算力革命」,潘建偉和他的團隊還在日夜兼程、不懈探索。

 

編輯: 喬一

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