近日，我國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域取得了里程碑式的突破。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣稱(chēng)該校學(xué)者潘建偉帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。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”的誕生引發(fā)了多方關(guān)注與熱議，其先進(jìn)程度遠(yuǎn)超大家想象。據(jù)悉，該計(jì)算機(jī)一分鐘完成的任務(wù)，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要約一億年才能完成。而與谷歌去年發(fā)布的量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”相比，“九章”的計(jì)算速度快了一百億倍?！熬耪隆钡某霈F(xiàn)使我國(guó)成功獲得了“量子霸權(quán)”。
“九章”的計(jì)算之快源于其計(jì)算形式。量子計(jì)算機(jī)與我們平時(shí)接觸到的普通計(jì)算機(jī)的計(jì)算形式不同。普通計(jì)算機(jī)通過(guò)電路的開(kāi)與關(guān)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，單位信息比特只有1和0兩種形式，一些更復(fù)雜的運(yùn)算操作則是通過(guò)多位信息的邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的。
而量子計(jì)算機(jī)使用粒子的狀態(tài)作為計(jì)算形式，由于粒子能夠同時(shí)處于多種狀態(tài)，因此量子計(jì)算機(jī)的單個(gè)比特可以承載更多的信息。在“九章”中使用的量子載體為光子，光子除了亮和滅兩種形態(tài)以外，還存在不同的偏振態(tài)，因此，一個(gè)光子能夠表達(dá)的不僅是0和1兩種狀態(tài)，含包括兩者組合疊加的多樣結(jié)果。粒子的使用使得量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度能夠突破電路性能的限制，得到了極大程度的提升。
利用量子天然具備的疊加性，量子計(jì)算機(jī)得以施展并行計(jì)算的能力。隨著比特?cái)?shù)的增加，信息的存儲(chǔ)量和運(yùn)行速度將以指數(shù)形式增長(zhǎng)，這是普通計(jì)算機(jī)難以企及的。
不過(guò)，需要明確的是，“九章”目前還不算是真正的“量子計(jì)算機(jī)”，而是“量子計(jì)算原型機(jī)”。此前潘建偉院士曾表示，通用量子計(jì)算機(jī)的問(wèn)世可能還需要15-30年的時(shí)間。目前“九章”還不能進(jìn)行通用運(yùn)算，只能作為計(jì)算“高斯玻色采樣”的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，輔助傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算。
據(jù)悉，“九章”初步將被應(yīng)用于量子化學(xué)以及圖論中組合數(shù)學(xué)的研究中去，后續(xù)可能被用于機(jī)器學(xué)習(xí)的研究。“九章”的實(shí)際應(yīng)用還需要更多更有效的探索。
目前，研制量子計(jì)算機(jī)已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。潘建偉團(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。早在2017年，該團(tuán)隊(duì)就聚焦于量子點(diǎn)光源，構(gòu)建出了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算原型機(jī)。
在2019年，該團(tuán)隊(duì)又更進(jìn)一步，在光子數(shù)和計(jì)算復(fù)雜度等關(guān)鍵指標(biāo)上實(shí)驗(yàn)大幅度提升，逼近“量子計(jì)算優(yōu)越性”。而這次，潘建偉團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主研制同時(shí)具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴(kuò)展能力的量子光源，最終突破了光子效能的瓶頸，成功構(gòu)建了“九章”。
在“九章”的構(gòu)建之路上，該團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷的困難遠(yuǎn)超想象，該設(shè)備對(duì)鎖相精度的要求高達(dá)十的負(fù)九次方。團(tuán)隊(duì)中的陸朝陽(yáng)曾這樣描述他們遇到的難題，“我們需要50路光子同時(shí)通過(guò)20多米的光層，每一路都要保持25納米的精度，這相當(dāng)于你讓50匹馬一起跑過(guò)100公里，必須同時(shí)到達(dá)，每匹馬的誤差，不能超過(guò)一根頭發(fā)絲?！边@樣的形容充分說(shuō)明了“九章”成果的來(lái)之不易。
值得一提的是，此次“九章”的研發(fā)團(tuán)隊(duì)中有四位90后成員，期中年齡最小的一位成員1997年出生，這也讓我們切實(shí)地看到了“后浪”的力量。在這些年輕的新力量的推動(dòng)下，建設(shè)世界科技強(qiáng)國(guó)，未來(lái)可期。
實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”
“九章”的成功研發(fā)也意味著我國(guó)實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。所謂量子霸權(quán)，也稱(chēng)量子計(jì)算優(yōu)越性，是指量子計(jì)算裝置在特定測(cè)試案例上表現(xiàn)出超越所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)是量子計(jì)算發(fā)展的重要里程碑，這確立了我國(guó)在國(guó)際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位。
量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的并行運(yùn)算能力，可以推動(dòng)密碼破譯、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等具有重大使用價(jià)值難題的解決，加速科技進(jìn)步。量子計(jì)算機(jī)的未來(lái)是人類(lèi)科技前進(jìn)的一個(gè)方向，而“九章”的出現(xiàn)給予了中國(guó)引領(lǐng)世界發(fā)展的希望。
上一個(gè)聲稱(chēng)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的是來(lái)自美國(guó)的谷歌公司，他們于2019年研發(fā)了使用53個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)“懸鈴木”。但與“懸鈴木”相比，“九章”有很大的超越。
首先，通過(guò)與最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)的等效比較，“九章”的計(jì)算速度要比“懸鈴木”快一百億倍。除此之外，“九章”有著更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性?！皯意從尽睂?duì)于運(yùn)行環(huán)境有著很高的要求，需要在零下273.12攝氏度下運(yùn)行，但“九章”只有探測(cè)部分需要低溫環(huán)境，其他部分在室溫環(huán)境下也可以運(yùn)行。這意味著“九章”的使用更加便利，使用范圍也更廣。
還有重要的一點(diǎn)是，“九章”彌補(bǔ)了“懸鈴木”的技術(shù)漏洞?！皯意從尽钡倪\(yùn)算速度與樣本數(shù)量有著緊密的練習(xí)，“懸鈴木”的運(yùn)算速度只有在小樣本的情況下才優(yōu)于超級(jí)計(jì)算機(jī)。而“九章”的運(yùn)算能力不依賴(lài)于樣本數(shù)量，不管樣本多大，都能保持了優(yōu)越的運(yùn)算速度。這也是為何“九章”的出現(xiàn)能在世界范圍內(nèi)引起如此大的轟動(dòng)，許多外國(guó)科學(xué)家都對(duì)“九章”表示了肯定，并對(duì)發(fā)明團(tuán)隊(duì)表達(dá)了敬意。
不過(guò)潘建偉也表示，“量子霸權(quán)就是碾壓一切”的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。他認(rèn)為，“量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)并不是一個(gè)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(jì)算硬件之間的競(jìng)爭(zhēng),但最終量子并行性會(huì)產(chǎn)生經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法企及的算力?！?
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