原標(biāo)題：“九章”有多牛？它花1分鐘,，超算需億年

光量子干涉實(shí)物圖。（圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),。

攝影：馬瀟漢,，梁競，鄧宇皓）

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(tuán)隊(duì)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(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作,，構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”,。計(jì)算玻色采樣問題，“九章”處理5000萬個(gè)樣本只需200秒,，而目前世界最快的超級計(jì)算機(jī)需要6億年,。

這是我國首次實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，這一突破也使我國成為全球第二個(gè)實(shí)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(diǎn)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(jì)算研究中第一方陣地位的量子計(jì)算原型機(jī),，二者皆有里程碑意義,。

“量子計(jì)算優(yōu)越性”，指的是作為新生事物的量子計(jì)算機(jī),，一旦在某個(gè)問題上的計(jì)算能力超過了最強(qiáng)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī),，就證明了量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性，跨過了未來在多方面超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的門檻,。

“這將實(shí)驗(yàn)各方面的技術(shù)推進(jìn)到遠(yuǎn)超以前的水平,?！卑拇罄麃喞ナ刻m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(gè)壓縮器提供輸入的量子態(tài)、使用100個(gè)單光子探測器進(jìn)行探測,，并且實(shí)現(xiàn)了同時(shí)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(jì)算優(yōu)越性所必需的,?！?/p>

從20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，到76個(gè)光子100個(gè)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%,?！标懗栒f，不斷增強(qiáng)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(diǎn),。

“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?！泵绹茖W(xué)院院士,、沃爾夫獎(jiǎng)得主、狄拉克獎(jiǎng)?wù)碌弥鞅说谩ぷ衾照J(rèn)為,，潘建偉團(tuán)隊(duì)的研究，在量子系統(tǒng)的大小與擴(kuò)展性,、實(shí)際應(yīng)用的前景方面把研究水平提升到了一個(gè)新的高度,。

意義非凡

在不增加能耗的基礎(chǔ)上，提升計(jì)算能力

“大數(shù)據(jù)時(shí)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(jì)算機(jī)傳統(tǒng)的發(fā)展模式受限,，超級計(jì)算機(jī)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(jì)算能力,。

眼下,，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，是全球角逐的焦點(diǎn),。去年,，谷歌公司推出53個(gè)超導(dǎo)量子比特的計(jì)算機(jī)“懸鈴木”，對一個(gè)數(shù)學(xué)算法的計(jì)算效率遠(yuǎn)超當(dāng)時(shí)世界最快的超級計(jì)算機(jī),，率先實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”,。而“九章”則實(shí)現(xiàn)了“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。

處理5000萬個(gè)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(gè)樣本,，“九章”需10個(gè)小時(shí),，超級計(jì)算機(jī)則需要1200億年。正如陸朝陽所說的那樣：“‘九章’在一分鐘時(shí)間里完成了經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)一億年才能完成的任務(wù),?！?/p>

對量子計(jì)算機(jī)的研究，國際同行公認(rèn)有3個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：第一階段是發(fā)展具備50至100個(gè)量子比特的高精度專用量子計(jì)算機(jī),，實(shí)現(xiàn)計(jì)算科學(xué)中量子計(jì)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(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，以解決若干超級計(jì)算機(jī)無法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問題,；第三階段是大幅度提高可集成的量子比特?cái)?shù)目至百萬量級,，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),。

據(jù)陸朝陽介紹,，與“懸鈴木”相比，“九章”具有運(yùn)算速度更快,、環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng),、克服技術(shù)漏洞這三大優(yōu)勢?！皯意從尽敝挥性谛颖镜那闆r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(jī)器短跑能跑贏超算,，長跑跑不贏,；我們的機(jī)器短跑、長跑都能跑贏,?！?/p>

前景廣闊

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

在合肥,，量子計(jì)算原型機(jī)“九章”幾乎占據(jù)了半個(gè)實(shí)驗(yàn)室,，包含上千個(gè)部件。目前,，“九章”和“懸鈴木”一樣只能用來解決某個(gè)特定問題,。潘建偉認(rèn)為，這是由于目前可用來搭建量子計(jì)算機(jī)的材料有限,，全球都在朝著為數(shù)不多的幾個(gè)方向努力,，“未來量子計(jì)算機(jī)的突破，更有可能依賴于新材料在量子計(jì)算硬件上的創(chuàng)新,?！?/p>

如今，基于“九章”的高斯玻色取樣算法在圖論,、機(jī)器學(xué)習(xí),、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(tuán)隊(duì)表示,，盡管“九章”算力驚人，但只是在量子計(jì)算第一階段樹起的一座里程碑,?！跋Ｍ芡ㄟ^15年到20年的努力，研制出通用的量子計(jì)算機(jī),，來解決密碼分析,、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)等應(yīng)用非常廣泛的問題,?！迸私▊ケ硎尽?/p>

《科學(xué)》雜志審稿人評價(jià),，這是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”“一個(gè)重大成就”,?！傲孔觾?yōu)越性”實(shí)驗(yàn)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(jì)算硬件之間的競爭。但最終,，量子并行性會產(chǎn)生經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法企及的算力,。潘建偉團(tuán)隊(duì)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。