【新華網】里程碑式突破！——潘建偉團隊解說“九章”量子計算機

2020-12-07 新華網 徐海濤 董瑞豐 周暢

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　　在一個特定賽道上，200秒的“量子算力”，相當于目前“最強超算”6億年的計算能力！12月4日，《科學》雜志公布了中國“九章”的重大突破。

　　這臺由中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等學者研制的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。盡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”的里程碑式突破。

　　“九章”優勝在何處？里程碑式跨越如何實現？“算力革命”走向何方？記者就這些問題采訪了潘建偉團隊。

　　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、期待這個里程碑式轉折點到來。

　　去年9月，美國谷歌公司宣布研制出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、國家并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》?！迸私▊フf。

　　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“量子優越性”。

　　高斯玻色取樣是一個計算概率分布的算法，可用于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“富岳”需6億年；當求解100億個樣本時，“九章”需10小時，“富岳”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?！皯意從尽毙枰阆?73.12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?！皯意從尽敝挥性谛颖镜那闆r下快于超算，“九章”在小樣本和大樣本上均快于超算。

　　“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?！彼麄冋f。

　　20年努力攻克三大技術難關

　　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?！斑@是量子領域的重大突破，朝著研制比傳統計算機更有優勢的量子設備邁出一大步！我相信成果背后付出了巨大的努力?！钡聡R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”。

　　加拿大卡爾加里大學量子研究所所長巴里·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?！熬耪隆钡耐黄?，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?；缮婕夹g。

　　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?！氨热缯f，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?！敝锌拼蠼淌陉懗栒f，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，相當于傳輸一百公里距離，偏差不能超過一根頭發絲的直徑。

　　此外，為了核驗“九章”算得“準不準”，他們用超算同步驗證?！?0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?！标懗栒f，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。