“九章”有多牛？它花1分鐘，超算需億年

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等學(xué)者組成的研究團隊與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所與信息技術(shù)研究所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的 “高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。計算玻色采樣問題，“九章”處理5000萬個樣本只需200秒，而目前世界最快的超級計算機需要6億年。

據(jù)悉，根據(jù)現(xiàn)有理論，該量子計算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍(“九章”一分鐘完成的任務(wù)，超級計算機需要一億年)。等效地，其速度比去年谷歌發(fā)布的 53 個超導(dǎo)比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)表示，這一成果使得我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑：量子計算優(yōu)越性(國外也稱之為 “量子霸權(quán)”)。相關(guān)論文于 12 月 4 日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

據(jù)介紹，近期，潘建偉團隊通過自主研制同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴展能力的量子光源，同時滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機矩陣、波包重合度優(yōu)于 99.5%、通過率優(yōu)于 98% 的 100 模式干涉線路，相對光程 10-9 以內(nèi)的鎖相精度，高效率 100 通道超導(dǎo)納米線單光子探測器，成功構(gòu)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”。

根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)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”快一百萬億倍，等效地比谷歌去年發(fā)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(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量，克服了谷歌 53 比特隨機線路取樣實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。“九章”輸出量子態(tài)空間規(guī)模達到了 1030(“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)模是 1016，目前全世界的存儲容量是 1022)。

這是我國首次實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”，這一突破也使我國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。12月4日，《科學(xué)》雜志發(fā)表了該成果。

難點眾多

在設(shè)備的自主研發(fā)、技術(shù)革新上下功夫

“九章”，既是中國古代的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》，也是牢固確立了我國在國際量子計算研究中第一方陣地位的量子計算原型機，二者皆有里程碑意義。

“量子計算優(yōu)越性”，指的是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(tǒng)計算機，就證明了量子計算機的優(yōu)越性，跨過了未來在多方面超越傳統(tǒng)計算機的門檻。

“這將實驗各方面的技術(shù)推進到遠超以前的水平。”澳大利亞昆士蘭大學(xué)教授蒂姆·拉夫說：“該設(shè)備的規(guī)模是非凡的：100模式干涉儀、25個壓縮器提供輸入的量子態(tài)、使用100個單光子探測器進行探測，并且實現(xiàn)了同時保持高效率，穩(wěn)定性和量子不可分辨性——這都是展示量子計算優(yōu)越性所必需的。”

從20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，到76個光子100個模式的高斯玻色取樣，必須在設(shè)備上下功夫。“一開始，高效率100通道超導(dǎo)納米線單光子探測器性能很低，只有4%。我們通過與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所合作，自主研發(fā)、技術(shù)革新，現(xiàn)在其性能已經(jīng)提升到了98%。”陸朝陽說，不斷增強量子光源、量子干涉、單光子探測器等領(lǐng)域的自主創(chuàng)新，是下一步研究的重點。

“利用量子器件來解決日益復(fù)雜的問題并體現(xiàn)量子優(yōu)勢，是量子科學(xué)前沿中的最重要問題之一。”美國科學(xué)院院士、沃爾夫獎得主、狄拉克獎?wù)碌弥鞅说?middot;佐勒認為，潘建偉團隊的研究，在量子系統(tǒng)的大小與擴展性、實際應(yīng)用的前景方面把研究水平提升到了一個新的高度。

意義非凡

在不增加能耗的基礎(chǔ)上，提升計算能力

“大數(shù)據(jù)時代，全球數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增長，每兩年翻一番。龐大的數(shù)據(jù)若不提取，則沒有意義。”潘建偉說。目前，計算機傳統(tǒng)的發(fā)展模式受限，超級計算機能耗巨大。在潘建偉看來，“九章”問世，其意義在于在不增加能耗的基礎(chǔ)上，提升計算能力。

眼下，研制量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一，是全球角逐的焦點。去年，谷歌公司推出53個超導(dǎo)量子比特的計算機“懸鈴木”，對一個數(shù)學(xué)算法的計算效率遠超當時世界最快的超級計算機，率先實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。而“九章”則實現(xiàn)了“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。

處理5000萬個樣本的高斯玻色取樣問題，“九章”只需200秒，而目前世界上最快的超算則需要6億年;處理100億個樣本，“九章”需10個小時，超級計算機則需要1200億年。正如陸朝陽所說的那樣：“‘九章’在一分鐘時間里完成了經(jīng)典超級計算機一億年才能完成的任務(wù)。”

對量子計算機的研究，國際同行公認有3個指標性的發(fā)展階段：第一階段是發(fā)展具備50至100個量子比特的高精度專用量子計算機，實現(xiàn)計算科學(xué)中量子計算優(yōu)越性的里程碑;第二階段是研制可相干操縱數(shù)百個量子比特的量子模擬機，以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(shù)目至百萬量級，實現(xiàn)容錯量子邏輯門，研制可編程的通用量子計算原型機。

據(jù)陸朝陽介紹，與“懸鈴木”相比，“九章”具有運算速度更快、環(huán)境適應(yīng)性更強、克服技術(shù)漏洞這三大優(yōu)勢。“懸鈴木”只有在小樣本的情況下快于超算，“九章”則在小樣本和大樣本上都超過了超算，“好比賽跑，谷歌的機器短跑能跑贏超算，長跑跑不贏;我們的機器短跑、長跑都能跑贏。”

前景廣闊

在機器學(xué)習、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用

在合肥，量子計算原型機“九章”幾乎占據(jù)了半個實驗室，包含上千個部件。目前，“九章”和“懸鈴木”一樣只能用來解決某個特定問題。潘建偉認為，這是由于目前可用來搭建量子計算機的材料有限，全球都在朝著為數(shù)不多的幾個方向努力，“未來量子計算機的突破，更有可能依賴于新材料在量子計算硬件上的創(chuàng)新。”

如今，基于“九章”的高斯玻色取樣算法在圖論、機器學(xué)習、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。潘建偉團隊表示，盡管“九章”算力驚人，但只是在量子計算第一階段樹起的一座里程碑。“希望能通過15年到20年的努力，研制出通用的量子計算機，來解決密碼分析、氣象預(yù)報、藥物設(shè)計等應(yīng)用非常廣泛的問題。”潘建偉表示。

《科學(xué)》雜志審稿人評價，這是“一個最先進的實驗”“一個重大成就”。“量子優(yōu)越性”實驗并非一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)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(chǎn)生經(jīng)典計算機無法企及的算力。潘建偉團隊希望，這個工作能夠激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作。