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大數(shù)據(jù)文摘出品

昨天，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)再登國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Science。

這次廣受矚目的是中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽(yáng)等研究團(tuán)隊(duì)的重磅成果——光量子計(jì)算系統(tǒng)“九章”。

該光量子計(jì)算系統(tǒng)在高斯玻色采樣（Gaussian Boson Sampling）問(wèn)題上取得重要突破，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，“九章”處理特定問(wèn)題的速度比目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬(wàn)億倍，同時(shí)也等效地比谷歌去年發(fā)布的53比特量子計(jì)算原型機(jī)Sycamore快一百億倍。

這意味著，中國(guó)科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn) “量子霸權(quán)”（quantum supremacy），或者說(shuō)量子優(yōu)越性（quantum computational advantage），即在某個(gè)特定問(wèn)題上計(jì)算能力遠(yuǎn)超現(xiàn)有最強(qiáng)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在有限時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成計(jì)算。

潘建偉團(tuán)隊(duì)將該光量子計(jì)算系統(tǒng)命名為“九章”，以此紀(jì)念中國(guó)古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。

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論文鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770

央視也對(duì)其進(jìn)行了專門的報(bào)道，潘建偉表示，希望能夠通過(guò)15年到20年的努力，研制出通用的量子計(jì)算機(jī)，這樣就可以解決很多廣泛的問(wèn)題，比如密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)，以及探索物理學(xué)或者化學(xué)生物學(xué)里面的一些復(fù)雜的問(wèn)題。

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富岳號(hào)算1億年，“九章”只要1分鐘

近年來(lái)，量子科技逐漸得到國(guó)內(nèi)外的重視，這也與量子科技的計(jì)算能力有著直接關(guān)系。對(duì)此央視新聞做出了一個(gè)十分形象的比喻，如果傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度是“自行車”，那么量子計(jì)算機(jī)的速度應(yīng)該稱得上是“飛機(jī)”了。

根據(jù)陸朝陽(yáng)教授的說(shuō)法，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)將所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為1或0，但量子計(jì)算機(jī)是利用量子力學(xué)的原理，可以允許一個(gè)物體同時(shí)處于多種狀態(tài)，比如說(shuō)0和1同時(shí)存在，原理上叫做“并行計(jì)算”，很多任務(wù)可以一起完成。正是因?yàn)榫哂谐斓牟⑿杏?jì)算能力，量子計(jì)算可望通過(guò)特定算法實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。

陸朝陽(yáng)在量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，攝影: H.-T. Guo，2020年8月

潘建偉教授說(shuō)到，量子優(yōu)越性的實(shí)現(xiàn)是量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑性目標(biāo)。

“量子優(yōu)越性”這個(gè)詞的提出其實(shí)可以追溯到2012年，但直到去年谷歌推出Sycamore，宣布實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，這個(gè)詞才開(kāi)始變得廣為人知，各國(guó)的量子競(jìng)技也才受到更多的關(guān)注。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子優(yōu)越性是指量子計(jì)算擁有的超越所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，即可以解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能解決的問(wèn)題或比經(jīng)典計(jì)算機(jī)有顯著的加速（一般是指數(shù)加速）。

為了實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，“九章”的研究團(tuán)隊(duì)在高斯波色采樣實(shí)驗(yàn)當(dāng)中構(gòu)建了一個(gè)量子計(jì)算的原型機(jī)，其運(yùn)算速度比目前最快的超算還要快10的14次方倍。做一個(gè)簡(jiǎn)單的比較，“就相當(dāng)于這里算一分鐘的東西，用‘富岳號(hào)’拿來(lái)算的話，要算一億年才能算完，這就叫做量子優(yōu)越性”。

同效不同路，“九章”走的是玻色采樣

既然量子優(yōu)越性如此高效，想要實(shí)現(xiàn)想必也是困難重重，根據(jù)現(xiàn)階段主要說(shuō)法，想要實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，需要克服兩個(gè)難點(diǎn)：一是操縱量子比特的數(shù)量，二是操縱量子比特的精準(zhǔn)度。

我們先看看去年谷歌的Sycamore，根據(jù)介紹，谷歌主要利用的是“隨機(jī)線路采樣”這一特定任務(wù)實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性：超級(jí)計(jì)算機(jī)至少需要10000年才能完成的計(jì)算，Sycamore在200秒內(nèi)就可以完成。

Martinis小組的研究員Ben Chiaro說(shuō)：“選擇該算法是為了利用設(shè)備的自然動(dòng)態(tài)來(lái)強(qiáng)調(diào)量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)?！币簿褪钦f(shuō)，研究人員想要測(cè)試計(jì)算機(jī)容納和快速處理大量復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的能力。

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但是除此之外，玻色采樣也是一種經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以完成的任務(wù)。

玻色采樣最初由計(jì)算機(jī)科學(xué)家Scott Aaronson和Alex Arkhipov于2011年提出，在證明量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)時(shí)，它需要計(jì)算玻色子的概率分布情況和粒子的量子波相干。

可不要小看了這個(gè)玻色采樣，這類運(yùn)算被普遍認(rèn)為難度超過(guò)世界七大數(shù)學(xué)難題之一的“NP完全問(wèn)題”，因?yàn)樵谶\(yùn)算過(guò)程中，解法數(shù)量會(huì)隨著變量增加而呈指數(shù)增長(zhǎng)。同時(shí)，Aaronson和Arkhipov也已經(jīng)證明，如果有數(shù)十個(gè)玻色子，就不可能找到冗長(zhǎng)的經(jīng)典計(jì)算捷徑。

因此，如果想要完成相關(guān)計(jì)算，單光子源和干涉儀、單光子源的單光子性、全同性和提取效率，干涉儀效率和波包重疊性都要得到充分保證。

2017年，潘建偉、陸朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)把目光放到了量子點(diǎn)光源上，這是一種可能的解決方法。他們用一種共振激發(fā)的量子點(diǎn)光源，能產(chǎn)生確定性的高品質(zhì)單光子，此外，他們自主設(shè)計(jì)研發(fā)了高效率的線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)。

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“九章”實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

“九章”也延續(xù)這樣的方式，在研究過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)將50個(gè)全同單模壓縮態(tài)輸入100模式超低損耗干涉線路，利用100個(gè)高效單光子探測(cè)器進(jìn)行高斯玻色采樣，輸出態(tài)空間維度達(dá)到了10的30次方，采樣速率比當(dāng)前最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)要快上10的14次方倍。

結(jié)果顯示，在求解5000萬(wàn)個(gè)樣本的高斯玻色取樣時(shí)，“九章”需200秒，“富岳”需6億年。等效來(lái)看，“九章”的計(jì)算速度比Sycamore快了100億倍，同時(shí)“九章”也彌補(bǔ)了Sycamore依賴樣本數(shù)量的技術(shù)漏洞。

倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的物理學(xué)家Ian Walmsley表示：“這無(wú)疑是一個(gè)杰出的實(shí)驗(yàn)，一個(gè)重要的里程碑?！?/span>

德國(guó)馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所理論部主任Ignacio Cirac表示，“這是一個(gè)巨大的技術(shù)突破，遠(yuǎn)超其他高斯玻色采樣實(shí)驗(yàn)”。

但是，通用量子計(jì)算機(jī)指的是可解決所有計(jì)算問(wèn)題的計(jì)算機(jī)，而“九章” 目前還不能通用于玻色采樣以外的其他計(jì)算。悉尼大學(xué)教授Steve Flammia表示，“遺憾的是，每個(gè)我們關(guān)心的計(jì)算問(wèn)題都和這個(gè)玻色采樣問(wèn)題沒(méi)有關(guān)系，比如我們可能關(guān)心貨車如何選擇最有效率的路線送貨，或者關(guān)心怎么樣預(yù)測(cè)一個(gè)特定分子的性質(zhì)以用于化學(xué)或醫(yī)療。研究人員認(rèn)為玻色采樣不能幫助解決這些重要問(wèn)題。”

中國(guó)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)化持續(xù)推進(jìn)

早在“九章”正式問(wèn)世之前，中國(guó)就已經(jīng)瞄準(zhǔn)了這個(gè)風(fēng)口。

10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)。會(huì)議指出，要找準(zhǔn)我國(guó)量子科技發(fā)展的切入點(diǎn)和突破口，統(tǒng)籌基礎(chǔ)研究、前沿技術(shù)、工程技術(shù)研發(fā)，培育量子通信等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，搶占量子科技國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)，構(gòu)筑發(fā)展新優(yōu)勢(shì)。

在量子計(jì)算領(lǐng)域，中科大已經(jīng)孵化培育了國(guó)內(nèi)第一家以量子計(jì)算機(jī)的研制、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用為主營(yíng)業(yè)務(wù)的初創(chuàng)型公司“本源量子”。2018年12月，本源量子推出完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的首款國(guó)產(chǎn)量子控制系統(tǒng)本源量子測(cè)控一體機(jī)。2020年9月，本源量子推出我國(guó)首個(gè)6比特超導(dǎo)量子計(jì)算云平臺(tái)。根據(jù)新華社報(bào)道，本源量子正在研發(fā)下一代量子芯片，預(yù)計(jì)明年年底推出20比特的量子計(jì)算機(jī)，未來(lái)3年實(shí)現(xiàn)50-100比特的量子計(jì)算機(jī)。

除此之外，由清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、香港科技大學(xué)等高校科學(xué)家團(tuán)隊(duì)組成的量旋科技已經(jīng)推出了桌面型核磁共振量子計(jì)算機(jī)“雙子座”，以及可以鏈接多個(gè)量子計(jì)算體系的云服務(wù)平臺(tái)“金牛座”。近日，量旋科技更是已經(jīng)完成千萬(wàn)人民幣的A輪融資，此輪融資將主要用于超導(dǎo)芯片量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)與生產(chǎn)。

阿里達(dá)摩院也成立了“量子實(shí)驗(yàn)室”，該實(shí)驗(yàn)室目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了阿里云量子開(kāi)發(fā)平臺(tái)（ACQDP），ACQDP在2020年10月的第一個(gè)公開(kāi)版本提供了阿里巴巴量子實(shí)驗(yàn)室自研的基于張量網(wǎng)絡(luò)收縮的通用量子電路模擬器，以及一系列在量子算法和量子糾錯(cuò)碼模擬上的應(yīng)用。

相關(guān)報(bào)道：

http://news.cctv.com/2020/12/04/ARTIQWnwvPMotOYsHOmnXxgS201204.shtml

https://mp.weixin.qq.com/s/RJhYEnfVfiN465ekqpCh_g

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潘建偉陸朝陽(yáng)率領(lǐng)中國(guó)首次實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性！速度超目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)百萬(wàn)億倍