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科普知識:“九章”世界第二,運算能力世界第一

2020-12-07  溱湖之戀

潘建偉團隊成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”,求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒,而目前世界最快的超級計算機要用6億年。這一突破使我國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。

第一個實現“量子優越性”的國家是2019年9月,美國谷歌公司推出53個量子比特的計算機“懸鈴木”,對一個數學算法的計算只需200秒,而當時世界最快的超級計算機“頂峰”需2天。

實驗顯示,當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣時,“九章”需200秒,而目前世界最快的超級計算機“富岳”需6億年。等效來看,“九章”的計算速度比“懸鈴木”快100億倍,并彌補了“懸鈴木”依賴樣本數量的技術漏洞。

我不是科學家,我也不研究量子方面的學問,只不過是一位中國攝像師而已,但是我為我們國家能有這樣一支團隊,做出了讓全世界科技界專家、學者、術士們矚目的事業而感到由衷的驕傲與自豪??梢哉f這種驕傲與自豪溢于言表,所以,我覺得應該大張旗鼓地宣傳和鼓勵。從潘建偉的身上,我們看到了中華民族的希望,看到了中華民族偉大復興的希望,看到了中華民族自立于世界民族之林的血氣and尊嚴!聽了潘建偉的話,讓無數炎黃子孫和黎民百姓為之震撼,他說:我熱愛科學,更愛我的祖國。當初出國,就是為了完成自己的夢想實驗研究。積累知識和技術能力后回國。他的那種艱苦奮斗、百折不撓以及愛國的精神應當得到弘揚,他的這些中華傳統美德更應當成為千百萬學仔們的光輝典范。

2020年12月4日,中國科學技術大學宣布該校潘建偉等人成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”,求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒,而目前世界最快的超級計算機要用6億年。這一突破使我國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。

   這一重大科技成果源于潘建偉為首的團隊。

   1970年3月生,浙江東陽人,被譽為“中國的量子之父”。2011年,潘建偉當選中國科學院院士。2012年,他獲得了國際量子通訊獎。2015年,他成為國家自然科學獎一等獎最年輕的第一完成人,當選中國科學技術大學常務副校長。2019年他獲得了伍德獎。

   物理學家只相信客觀世界是唯物的情況,量子感應,量子糾纏,微觀世界每時每刻都存在,這個叫做量子疊加。

https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/12861104805/1000

   2016年8月16日,潘建偉擔任首席科學家的世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”升空。直至2017年8月,潘建偉團隊在國際上實現了三個率先:

   第一、率先實現了千公里級星地雙向量子糾纏分發,并在此基礎上實現空間尺度下嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗;

   第二、率先實現了千公里級星地高速量子密鑰分發,并通過衛星中轉實現廣域量子保密通信;

   第三、率先實現了千公里級地星量子隱形傳態,演示在空間尺度進行量子信息處理的可行性。  

   2020年12月4日,中國科技大學宣布該校潘建偉等人成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”,求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒,而目前世界最快的超級計算機要用6億年。這一突破使我國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。

   “量子優越性像個門檻,是指當新生的量子計算原型機,在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機,就證明其未來有多方超越的可能?!敝锌拼蠼淌陉懗栒f,多年來國際學界高度關注、期待這個里程碑式轉折點到來。

https://pics1.baidu.com/feed/0df431adcbef760934a93ac49e1e0ccb7dd99e12.png?token=e7169f8b1895aaa760cd1e74157de179

   圖片1:“九章”量子計算原型機光路系統原理圖 :左上方激光系統產生高峰值功率飛秒脈沖;左方25個光源通過參量下轉換過程產生50路單模壓縮態輸入到右方100模式光量子干涉網絡; 最后利用100個高效率超導單光子探測器對干涉儀輸出光量子態進行探測。

   2019年9月,美國谷歌公司推出53個量子比特的計算機“懸鈴木”,對一個數學算法的計算只需200秒,而當時世界最快的超級計算機“頂峰”需2天,實現了“量子優越性”。

https://pics3.baidu.com/feed/b219ebc4b74543a98486516fb5d42585b801143a.jpeg?token=6d9d75a10d9c36a3e6bdf4b5edc52a94

圖片2:光量子干涉實物圖:

   左下方為輸入光學部分,右下方為鎖相光路,上方共輸出100個光學模式,分別通過低損耗單模光纖與100超導單光子探測器連接。

   近期,潘建偉團隊通過自主研制同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規模擴展能力的量子光源,同時滿足相位穩定、全連通隨機矩陣、波包重合度優于99.5%、通過率優于98%的100模式干涉線路,相對光程10-9以內的鎖相精度,高效率100通道超導納米線單光子探測器,成功構建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”(命名為“九章”是為了紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》)。

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圖片3:100模式相位穩定干涉儀

   光量子干涉裝置集成在20 cm*20 cm的超低膨脹穩定襯底玻璃上, 用于實現50路單模壓縮態間的兩兩干涉,并高精度地鎖定任意兩路光束間的相位。

   去年9月,美國谷歌公司推出53個量子比特的計算機“懸鈴木”,對一個數學算法的計算只需200秒,而當時世界最快的超級計算機“頂峰”需2天,實現了“量子優越性”。

   潘建偉團隊與中科院上海微系統所、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”。

   實驗顯示,當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣時,“九章”需200秒,而目前世界最快的超級計算機“富岳”需6億年。等效來看,“九章”的計算速度比“懸鈴木”快100億倍,并彌補了“懸鈴木”依賴樣本數量的技術漏洞。

   據悉,潘建偉團隊這次突破歷經20年,主要攻克高品質光子源、高精度鎖相、規?;缮嫒蠹夹g難題。

   同時,通過高斯玻色取樣證明的量子計算優越性不依賴于樣本數量,克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優越性依賴于樣本數量的漏洞?!熬耪隆陛敵隽孔討B空間規模達到了1030(“懸鈴木”輸出量子態空間規模是1016,目前全世界的存儲容量是1022)。該成果牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位,為未來實現可解決具有重大實用價值問題的規?;孔幽M機奠定了技術基礎。此外,基于“九章號”量子計算原型機的高斯玻色取樣算法在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用,將是后續發展的重要方向。

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圖片4:光量子干涉示意圖

   《科學》雜志審稿人評價該工作是全世界一個最先進的實驗。研究人員希望這個工作能夠激發更多的經典算法模擬方面的工作,也預計將來會有提升的空間。量子優越性實驗并不是一個一蹴而就的工作,而是更快的經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生經典計算機無法企及的算力。

   3分20秒只是短短一瞬,6億年早已是滄海桑田。

   與通用計算機相比,“九章”還只是“單項冠軍”。但其超強算力,在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用價值。

   實現“量子霸權”,中國“九章”何以后來居上?

  畢業于中科大近代物理系,在奧地利完成博士學位的潘建偉,2001年起一手搭建起了中國的量子實驗室。這位中國科學技術大學的教授,中國科學院院士,時常被稱為“中國量子之父”——他當之無愧。

   作為量子科學研究的“泰斗”級人物,潘建偉和其團隊已經在這個領域取得過多項重大成果。

   潘建偉不僅自己厲害,多年以來,他還為中國培養了一大批量子科學領域的頂尖人才。其中,比較著名的就是他的80后學生陸朝陽。

   今年10月,美國物理學會(APS)宣布將2021年度羅夫·蘭道爾和查爾斯·本內特量子計算獎(2021 Rolf Landauer and Charles H. Bennett Award in Quantum Computing)頒給中國科學家陸朝陽,獎勵其「對光量子信息科學,尤其是固態量子光源、量子隱形傳態和光量子計算的突出貢獻」。

https://imagepphcloud.thepaper.cn/pph/image/102/326/848.jpg

   1998年春節前夕,陸朝陽所在的東陽中學邀請潘建偉在當時東陽最大的電影院發表了量子物理相關的匯報演講。這場科普報告也為陸朝陽打開了量子世界的大門。

   2000年,陸朝陽從浙江東陽走出考入中科大。本科畢業后,恰好當時潘建偉從歐洲歸來組建實驗室,他如愿跟隨恩師潘建偉從事光量子信息方面的研究工作。

   此后,在老師潘建偉的指導和鼓勵下,陸朝陽不斷學習深造,也逐漸成為量子科學研究領域的佼佼者。

   而這次在《科學》雜志上發表的論文,第一作者也是幾個年輕人,鐘翰森、王輝、陳明城、鄧宇皓等人都是90后。

   76個光子100個模式的“九章”,其算力究竟有多強?

   先來看一組數據:在室溫條件下運行(除光子探測部分需4K低溫),計算玻色采樣問題,“九章”處理5000萬個樣本只需200秒,超級計算機需要6億年;處理100億個樣本,“九章”只需10小時,超級計算機需要1200億年——而宇宙誕生至今不過約137億年。

   由于采用超導體系,谷歌53個量子比特的“懸鈴木”由于采用超導體系,必須全程在-273.12℃(30mK)的超低溫環境下運行,而且在計算隨機線路采樣問題上,存在樣本數量的漏洞:同樣處理100萬個樣本,“懸鈴木”只需200秒,的確比超級計算機的2天要快很多??僧斕幚?00億個樣本時,“懸鈴木”要花上20天,反而不如經典計算機快。

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   “雖然‘九章’和‘懸鈴木’分別被設計用來處理不同問題,但如果都和超算比的話,‘九章’等效地比‘懸鈴木’快了一百億倍,且克服了樣本數量依賴的缺陷?!标懗栒f,由于操縱量子比特數量的大幅增加,“九章”的輸出態空間(量子糾纏可能出現的狀態)達到了10的30次方——如果要將這些狀態全部紀錄下來,目前世界上所有內存硬盤光盤全部用上也不夠。而“懸鈴木”的輸出態空間為10的16次方,兩者相差了十幾個數量級,這也是導致“懸鈴木”未能充分體現“量子計算優越性”的原因之一。

   實際上,就在去年谷歌宣布“懸鈴木”的同期,潘建偉團隊已經實現了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣,輸出復雜度相當于48個量子比特的輸出態空間,逼近了“量子計算優越性”。此后,團隊與中科院上海微系統與信息技術研究所合作,自主研發出高性能光子探測器,實現了后來居上。

   短短一年,“九章”所用的高效率100通道超導納米線單光子探測器性能從4%提升到了98%。與此同時,陸朝陽也對原先的技術方案進行了大幅革新,最終實現了超越。

   “量子霸權”就是碾壓一切?

   實現“量子優越性”并非一蹴而就?!傲孔觾炘叫詫嶒灢⒉皇且粋€一蹴而就的工作?!痹陉U釋“九章”的成就之前,潘建偉想先要糾正一個認識上的誤區,即認為“量子霸權”就是碾壓一切,誰先稱霸,誰就得了天下。

   實際上,在量子計算領域,國際同行公認有三個指標性的發展階段,目前則處于“量子計算優越性”的第一階段。在這個階段,科學家還在努力嘗試各種方法,試圖更精準地操控更多數量的量子比特,從而獲得更為強大的計算能力。

   潘建偉說:“這是一個動態過程,所有領先都只是暫時的?!币环矫娼浀溆嬎銠C還在不斷發展,另一方面量子計算更是在快速推進。只不過,經典計算機中電子只有0和1兩種狀態,而量子可處于疊加態,每增加一個量子比特,其計算能力就會指數級提升”。因此,“量子爭霸”實際上是更快的經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生經典計算機無法企及的算力,取得碾壓性勝利。

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   量子計算機與經典計算機之差別。

   無論是谷歌的“懸鈴木”還是中國的“九章”,其算力都是百萬、上億倍于世界排名第一的超級計算機。超過300位的大數分解,經典計算機最快要算15萬年,量子計算機一秒就完成了。

   “在摩爾定律逼近極限的時代,在人們對算力需求指數級增長的時代,量子計算機必然會成為世界前沿的‘兵家必爭之地’?!?/span>

   潘建偉介紹:最近美國公布了量子計算領域的最新計劃,英國、歐盟、日本等國家也早有相應規劃,這次“九章”的成功研制,則為中國牢固確立在國際量子計算研究中的第一方陣地位奠定了技術基礎。

   量子計算機還能更快嗎?

   未來發展有待新材料等領域創新突破,盡管“九章”的算力已快得驚人,但它只是在量子計算第一階段樹起了一座里程碑,未來的路還有很長。經典計算機從專用機發展到通用機,走過了20多年歷程,現在的量子計算機就處在最早期的專用機時代。無論是谷歌的“懸鈴木”還是“九章”,都只能用來解決一個特定問題。

   潘建偉解釋:這是因為目前可用來搭建量子計算機的材料有限,只能“就食材做菜”,全球都在朝著為數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新。

https://imagepphcloud.thepaper.cn/pph/image/102/326/851.jpg

光量子干涉實物圖

不過,哪怕量子計算只是走到今天,依然展現出了誘人的應用前景?;凇熬耪隆钡母咚共I铀惴?,有望在后續發展出圖論、機器學習、量子化學等方向上的應用。

   如何知曉量子計算原型機得到的結果是正確的?

   潘建偉團隊通過與國家并行計算機工程技術研究中心合作,在超級計算機上對“九章”所獲得的先期結果進行驗證,從簡單開始,直至復雜到超算難以勝任——如果少光子結果都可得到印證,那么同一個裝置的多光子結果也將是可信的。就在論文登上《科學》的同時,潘建偉團隊已開始向下一個里程碑進發:新的量子計算實驗裝置已開始在實驗室搭建,性能還將進一步提升。

   相關知識點索引

   76個光子100模式干涉線路實現玻色取樣。

   取樣-----是指從某個概率分布抽取樣本的過程,主要目的是通過少量的關鍵樣本來高效獲取整體分布的關鍵信息。

   波色采樣-----是指從由一個高度糾纏的多光子量子態定義的概率分布取樣的過程。

   在“九章”量子計算原型機中,有100個光纖通道,最多同時可以有76個光子進入這些通道。這些光子由特制的量子光源發出,確保76個光子完全一模一樣。在通道末端,安放有高性能光子探測器,能夠準確捕獲每個落下的光子。

   光子在50路2米自由空間與20米光纖光程中的抖動必須控制在25納米之內,這相當于跑過100千米的距離,誤差要小于一根頭發絲。

   量子計算領域的三個指標性發展階段:

   第一階段:發展具備50-100個量子比特的高精度專用量子計算機,對于一些超級計算機無能為力的高復雜度特定問題實現高效求解,實現計算科學中“量子計算優越性”的里程碑。

   第二階段是通過對規?;囿w量子體系的精確制備、操控與探測,研制可相干操縱數百個量子比特的量子模擬機,用于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,如量子化學、新材料設計、優化算法等。

   第三階段是通過積累在專用量子計算與模擬機的研制過程中發展起來的各種技術,提高量子比特的操縱精度,使之達到能超越量子計算苛刻的容錯閾值(>99.9%),大幅提高可集成的量子比特數目(百萬量級),實現容錯量子邏輯門,研制可編程的通用量子計算原型機。

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