比最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍！中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑
「比全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍！」
「超越了谷歌量子計(jì)算優(yōu)越性！」
「是里程碑式突破！」
……
今天，潘建偉團(tuán)隊(duì)所構(gòu)建的「76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)」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(guó)際學(xué)術(shù)期刊Science。
這臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)，名曰「九章」，取自我國(guó)古代最早的數(shù)學(xué)著作《九章算術(shù)》，其計(jì)算速度直接問鼎全球最快。
這一里程碑式重大突破，是我國(guó)首次，也是全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)「量子優(yōu)越性」的國(guó)家。
正如潘建偉表示：
這一成果牢固確立了我國(guó)在國(guó)際量子計(jì)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(guān)，所以很難在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中模擬。
因此，它被認(rèn)為是可以證明量子優(yōu)越性的問題之一。
在這次研究中，潘建偉團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)便是求解高斯玻色子采樣。其結(jié)果如下：
比目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)（富岳），快出了一百萬億倍。
比谷歌去年推出的53 個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī)「懸鈴木」，快一百億倍。
△?「富岳」超級(jí)計(jì)算機(jī)
具體而言，在5000萬個(gè)樣本情況下，「九章」在處理這個(gè)問題時(shí)，僅用了200秒。
若是換做「富岳」，需要的時(shí)長(zhǎng)是非常驚人的，長(zhǎng)達(dá)6億年之久。
而即便是全年轟動(dòng)一時(shí)的谷歌「懸鈴木」，在處理這個(gè)問題的時(shí)候，也要比「九章」慢得多。
△?「懸鈴木」量子計(jì)算原型機(jī)
此外，根據(jù)另一組對(duì)比數(shù)據(jù)，也能從側(cè)面反映出「九章」之快。
去年「懸鈴木」在求解隨機(jī)線路采樣問題時(shí)，所需的時(shí)間也為200秒，但一是解決問題不同，二是樣本數(shù)量?jī)H為100萬。
而用當(dāng)時(shí)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)「Summit」來計(jì)算，需要2天的時(shí)間。
不難看出，這與「九章」和超級(jí)計(jì)算機(jī)的差距，不是在一個(gè)量級(jí)。
△?「Summit」超級(jí)計(jì)算機(jī)
同樣作為量子計(jì)算原型機(jī)，「九章」與「懸鈴木」相比：
在室溫下環(huán)境下即可運(yùn)行。
彌補(bǔ)了依賴樣本數(shù)量的技術(shù)漏洞。
那么，「九章」具體是如何做到如此強(qiáng)悍的量子優(yōu)越性的呢？
「九章」成功的關(guān)鍵
整體來看，潘建偉團(tuán)隊(duì)此次成功構(gòu)建的「九章」，是自主研制的76個(gè)光子 100 個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī)。
量子光源方面，同時(shí)具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴(kuò)展能力。
100模式干涉線路方面，同時(shí)滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機(jī)矩陣、波包重合度優(yōu)于 99.5%、通過率優(yōu)于 98% 。
還具備相對(duì)光程 10-9 以內(nèi)的鎖相精度，高效率 100 通道超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器。
根據(jù)根據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)介紹，下圖便是「九章」的光路系統(tǒng)原理圖。
左上方激光系統(tǒng)產(chǎn)生高峰值功率飛秒脈沖。
左方25個(gè)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(luò)。
最后利用100個(gè)高效率超導(dǎo)單光子探測(cè)器對(duì)干涉儀輸出光量子態(tài)進(jìn)行探測(cè)。
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。
這個(gè)裝置是用來實(shí)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(shí)物圖。
圖中左下方為輸入光學(xué)部分，右下方為鎖相光路，上方共輸出100個(gè)光學(xué)模式，分別通過低損耗單模光纖與100超導(dǎo)單光子探測(cè)器連接。
對(duì)于如此的研究工作，Science審稿人給出了這樣的評(píng)價(jià)：
一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)（a state-of-the-art experiment）。
一個(gè)重大成就（a major achievement）。
潘建偉團(tuán)隊(duì)出品
潘建偉是中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)，對(duì)推動(dòng)中國(guó)量子計(jì)算的發(fā)展貢獻(xiàn)了非常大的力量。
其團(tuán)隊(duì)一直在光量子信息處理方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)介紹，2017年，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)（ENIAC）的光量子計(jì)算原型機(jī)。
2019年，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國(guó)際最高性能單光子源，實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特的希爾伯特態(tài)空間，逼近了「量子計(jì)算優(yōu)越性」。
除此之外，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)介紹，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的研究，本領(lǐng)域的國(guó)際同行公認(rèn)有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：
發(fā)展具備50-100個(gè)量子比特的高精度專用量子計(jì)算機(jī)，對(duì)于一些超級(jí)計(jì)算機(jī)無法解決的高復(fù)雜度特定問題實(shí)現(xiàn)高效求解，實(shí)現(xiàn)計(jì)算科學(xué)中「量子計(jì)算優(yōu)越性」的里程碑。
通過對(duì)規(guī)?；囿w量子體系的精確制備、操控與探測(cè)，研制可相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，用于解決若干超級(jí)計(jì)算機(jī)無法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問題（如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等）。
通過積累在專用量子計(jì)算與模擬機(jī)的研制過程中發(fā)展起來的各種技術(shù)，提高量子比特的操縱精度使之達(dá)到能超越量子計(jì)算苛刻的容錯(cuò)閾值（>99.9%），大幅度提高可集成的量子比特?cái)?shù)目（百萬量級(jí)），實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子邏輯門，研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。
而這次潘建偉團(tuán)隊(duì)的重大突破，牢固確立了我國(guó)在國(guó)際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位。
德國(guó)馬普學(xué)會(huì)量子光學(xué)研究所所長(zhǎng)、沃爾夫獎(jiǎng)得主Ignacio Cirac認(rèn)為：
這是量子科技領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，朝著研制相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有量子優(yōu)勢(shì)的量子設(shè)備，邁出一大步。
美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士、沃爾夫獎(jiǎng)得主Peter Zoller表示：
該實(shí)驗(yàn)無論是在量子系統(tǒng)大小和擴(kuò)展性方面，還是在實(shí)際應(yīng)用前景方面，都把研究水平提升到了一個(gè)新的高度。
最后，此次科研團(tuán)隊(duì)的研究者們認(rèn)為：
希望這個(gè)工作能夠激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作，也預(yù)計(jì)將來會(huì)有提升的空間。
參考鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770?rss=1
http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73418.htm
來源：量子位
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