快捷搜索:  要闻  时政  文化  信息  经贸  美食  国际

中国量子计算原型机全球领先/中国重大科技迎来井喷期

下载.jpg

中国量子计算原型机全球领先,中国重大科技“井喷”

2020-12-04科技日报人民网 参考消息网

潘建伟、陆朝阳等组成的中国科学技术大学研究团队,与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作,构建76个光子的量子计算原型机“九章”,实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。该量子计算系统处理高斯玻色取样速度比目前最快超级计算机快100万亿倍,等效地比去年谷歌发布53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快100亿倍。这一成果使得中国成功达到量子计算研究第一个里程碑:量子计算优越性(国外称“量子霸权”)。相关论文在线发表在国际学术期刊《科学》上。

ef8f4fb5f632e772b5545d195b5bb0b2.jpeg

量子计算机在原理上具有超快并行计算能力,相比经典计算机能实现指数级别加速。当前,量子计算机已成为欧美各发达国家角逐焦点。国际同行公认量子计算机研究有三个指标性发展阶段:第一阶段发展具备50—100个量子比特高精度专用量子计算机,实现计算科学中量子计算优越性里程碑。第二阶段是研制可相干操纵数百个量子比特量子模拟机。第三阶段则是大幅度提高可集成量子比特数目至百万量级,实现容错量子逻辑门,研制可编程通用量子计算原型机。

t0113b1786e11631b2d.jpg

潘建伟团队2017年构建了世界首台超越早期经典计算机(ENIAC)光量子计算原型机。2019年实现20光子输入60模式干涉线路玻色取样,输出复杂度相当于48个量子比特希尔伯特态空间,逼近量子计算优越性。研究团队通过自主研制同时具备高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力量子光源,成功构建76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”,以纪念中国古代最早数学专著《九章算术》。

该成果牢固确立中国在国际量子计算研究中第一方阵地位,为未来实现可解决具有重大实用价值的规模化量子模拟机奠定技术基础。专家评价该是“最先进的实验”“一个重大成就”。潘建伟表示,量子计算优越性实验不是一蹴而就的,最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力。

t01e0a70cc6d30b204f.jpg

“量子优越性像个门槛,是指当新生的量子计算原型机,在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机,就证明其未来有多方超越的可能。”中科大教授陆朝阳说,多年来国际学界高度关注、期待这个里程碑式转折点到来。去年9月美国谷歌公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木”,对一个数学算法计算只需200秒,而当时世界最快超级计算机“顶峰”需2天,实现了“量子优越性”。

实验显示,当求解5000万个样本的高斯玻色取样时,“九章”需200秒,而目前世界最快超级计算机“富岳”需6亿年。等效来看,“九章”计算速度比“悬铃木”快100亿倍,并弥补了“悬铃木”依赖样本数量的技术漏洞。

t0110e68541236cfa3e.jpg

难点众多  

“九章”,既是中国古代的数学专著《九章算术》,也是牢固确立中国在国际量子计算研究中第一方阵地位的量子计算原型机,二者皆有里程碑意义。  

“量子计算优越性”,指的是作为新生事物的量子计算机,一旦在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机,就证明了量子计算机的优越性,跨过未来在多方面超越传统计算机的门槛。  

“这将实验各方面的技术推进到远超以前的水平。”澳大利亚昆士兰大学教授蒂姆·拉夫说:“该设备的规模是非凡的:100模式干涉仪、25个压缩器提供输入的量子态、使用100个单光子探测器进行探测,并实现同时保持高效率,稳定性和量子不可分辨性——都是展示量子计算优越性必需的。” 

 t018d0fff9ed253e0bd.jpg

从20光子输入60模式干涉线路玻色取样,到76个光子100个模式高斯玻色取样,必须在设备上下功夫。“一开始,高效率100通道超导纳米线单光子探测器性能很低,只有4%。通过与中科院上海微系统与信息技术研究所合作,自主研发、技术革新,现在其性能已经提升到98%。”陆朝阳说,不断增强量子光源、量子干涉、单光子探测器等领域自主创新,是下一步研究重点。  

“利用量子器件来解决日益复杂的问题并体现量子优势,是量子科学前沿中的最重要问题之一。”美国科学院院士、沃尔夫奖得主、狄拉克奖章得主彼得·佐勒认为,潘建伟团队的研究,在量子系统的大小与扩展性、实际应用的前景方面把研究水平提升到一个新高度。

麻省理工学院教授 美国青年科学家总统奖得主 德克 英格伦:我认为这是一个了不起的成就,这是开发这些中型量子计算机的一个里程碑。 

奥地利科学院院长 美国科学院院士 安东 蔡林格:这项工作成果很重要,证明了基于光子的量子计算机也可能实现量子计算优越性。我相信有朝一日量子计算机会被广泛使用,甚至每个人都可以使用。 

意义非凡  

“大数据时代,全球数据量呈指数增长,每两年翻一番。庞大数据若不提取,则没有意义。”潘建伟说。目前计算机传统的发展模式受限,超级计算机能耗巨大。在潘建伟看来,“九章”问世,其意义在于不增加能耗的基础上,提升计算能力。

t01aea71464579b8f00.jpg

眼下,研制量子计算机已成为世界科技前沿最大挑战之一,是全球角逐的焦点。2019年谷歌公司推出53个超导量子比特计算机“悬铃木”,对一个数学算法计算效率远超世界最快超级计算机,率先实现“量子优越性”。而“九章”则实现了“高斯玻色取样”任务的快速求解。  

处理5000万个样本的高斯玻色取样问题,“九章”只需200秒,而世界上最快超算则需要6亿年;处理100亿个样本,“九章”需10个小时,超级计算机则需要1200亿年。正如陆朝阳所说的:“‘九章’在一分钟时间里完成了经典超级计算机一亿年才能完成的任务。” 与“悬铃木”相比,“九章”具有运算速度更快、环境适应性更强、克服技术漏洞三大优势。“悬铃木”只有在小样本情况下快于超算,“九章”则在小样本和大样本上都超过了超算。”

t01c6703a12150ba984.jpg

前景广阔  

在合肥,量子计算原型机“九章”几乎占据半个实验室,包含上千个部件。目前,“九章”和“悬铃木”只能用来解决某个特定问题。潘建伟认为,是由于目前可用来搭建量子计算机的材料有限,全球都在朝着为数不多几个方向努力,“未来量子计算机的突破,有可能依赖新材料在量子计算硬件上的创新。”  

如今,基于“九章”高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用,将是后续发展重要方向。潘建伟团队表示,尽管“九章”算力惊人,但只是在量子计算第一阶段树起一座里程碑。“希望能通过15年到20年努力,研制出通用量子计算机,解决密码分析、气象预报、药物设计等应用广泛问题。”潘建伟表示。  

t01c54c5deed1158865.jpg

“量子优越性”实验是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件间的竞争,最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力。潘建伟团队希望,这个工作能够激发更多的经典算法模拟方面的工作。当前,研制量子计算机是世界科技前沿最大挑战之一。未来“九章”在机器学习、量子化学等领域具有潜在的应用。

t01979da43e7bc2cb0b.jpg

新加坡《联合早报》网站12月7日发表文章称,中国重大科技突破迎来井喷期。这几天,中国科技领域捷报频传。12月4日,中国科学技术大学等单位宣布量子计算原型机“九章”问世。12月6日,携带月球样本的嫦娥五号上升器与轨道器返回器组合体成功交会对接后,又成功分离,准备择机返回地球。

量子计算机的原理十分复杂,大多数人难窥其中奥妙。按照“九章”研发团队的通俗解读,“九章”求解数学算法“高斯玻色取样”,处理5000万个样本只需200秒,而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。基于“九章”的“高斯玻色取样”算法,未来将在图论、机器学习、量子化学等领域具有重要的潜在应用价值。

与“九章”相比,嫦娥五号通俗易懂。自11月24日发射,嫦娥五号经历进入月球轨道、落月采样封装、月面点火上升、上升器与轨道器返回器组合体对接分离,最后是返回器返回地球。实现上升器与轨道器返回器组合体无人对接是最难的一关,也是世界首次。美国和苏联都完成过落月采样、月面上升及返回地球动作。当年苏联探月器取回月壤标本时,没有在月球轨道对接,取回月壤标本仅100多克;美国在月球轨道对接则由宇航员操控。嫦娥五号在月轨实现无人对接,对月球开发及深空探测都有很大意义。

640.jpg

中国近期重大科技突破还包括新一代“人造太阳”放电,第三代核电技术的“华龙一号”反应堆并网发电,“奋斗者”号载人潜水器在深达10909米马里亚纳海沟成功坐底等。中国科技成果似乎迎来了一个井喷期。

002TLsr9ly1gkkdcugalej60zk0k01kx02.jpg

 链接:

1. 量子计算机是计算机吗?

量子计算机和我们所理解的“电脑”差别很大——两者计算形式不一样,电脑通过电路开和关计算,而量子计算机是以量子状态作为计算形式。

我们日常用的电脑,不管是屏幕上图像还是输入汉字,这些信息在电路里都会转换成 1 和 0(在电路中表达为“开”和“关”),再进行传输运算与存储。正是因为 0 和 1 的“计算”,才被称为“计算机”。

世界上第一台电子数字计算设备:阿塔纳索夫•贝瑞计算机/Wikimedia Commons

量子计算机则以量子状态作为计算形式。目前量子计算机使用的是原子、离子、光子等物理系统,不同类型量子计算机使用不同的粒子,“九章”使用的是光子。

2. 为什么量子计算机可“超快”?

传统数字电路只有 0 或 1 ,量子计算机使用的粒子能同时处于多种状态。光子除了亮与灭,本身有不同偏振态,这种偏振态可表示除 0 与 1 外的多组信息,量子计算机因而能同时承载更多内容。普通计算机单元一次只能处理一个数据,称 1 比特;量子计算机可一次处理 1 个“量子比特”,不仅0和1状态,而是叠加态,可简单认为包含了多数据,使处理速度大大提升

自然光在各方向振动,偏振片过滤后,仅留下特定方向振动偏振光/Wikimedia Commons

超级计算机以处理速度快著称,但与量子计算机不一样。超级计算机本质上还是传统计算机二进制为基础,运算速度受限于电路性能,而量子计算机完全属于另一个体系。

3. 量子计算机擅长解决什么问题?

量子计算机最大特点是计算速度太快了。例如,小学都学过质因数分解, 6 可分解为 2 和 3 两个质数;但如数字很大,质因数分解就是一个很难的数学问题。1994 年为了分解一个 129 位的大数,科学家同时动用 1600 台高端计算机,花 8 个月才分解成功;但量子计算机理论上只需 1 秒钟就可破解。

v2-2dc74e4cb2f88dd930ddbcf75fea0297_720w.jpg

大数质因数分解是许多安全系统的基础,基于此的加密算法——如 RSA 算法,则可能会因为量子计算机研制成功而被攻破。

4. 量子计算机需要安装系统吗?

量子计算机本身就是一套“系统”,独立光学组件提供了硬件,复杂光路结构决定了它的“算法”。例如,以光子为量子比特的量子计算机,需要能产生光子单光子源,能改变光子状态、完成“算法”的特定光路结构,还需单光子探测器对光子的最终状态进行观测。

光量子计算机原型图/墨子沙龙

不过,对于量子计算机的控制,仍需要通过普通电脑进行信息输入输出。工作人员在普通电脑上输入初始数据,数据在量子计算机系统中进行复杂转换和运算,得到的结果会传输回工作人员的普通电脑上。

量子计算机的实际操作过程 

5.什么是量子霸权?

只要在某些特定问题上,量子计算机能力超越了任何经典计算机,就叫“量子霸权”。虽听起来很有震慑力,但“量子霸权”只是量子计算机发展一个阶段,还没有达到最理想的状态。目前,世界上的量子计算机研究大多是针对用某个特定问题。中国研发出来的“九章”,就是专门解决玻色采样问题,这是常用测试量子计算机优越性的热门问题。

量子计算机的理想状态是通用量子计算机。这样的量子计算机将被用来解决任何可解的问题,在很多领域会得到广泛应用。然而,目前量子比特数还远远不够,纠错容错技术也不够完善,大大限制了计算能力。

通用量子计算机是研究方向/墨子沙龙

量子计算机最主要的优势,是可对数据进行同时处理。目前,更多的应用仍然是对于特定难题的计算,而想在普通的使用中发挥它的优势,还有待漫长的探索。


(改写编辑:未平) 


注:本文转载自https://tech.huanqiu.com,https://tech.huanqiu.com,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如有侵权行为,请联系我们,我们会及时删除。

中国科学家 光子 量子计算原型机 九章 算力 领先

您可能还会对下面的文章感兴趣: