“九章”有多牛？它花1分鐘，超算需億年

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)等學(xué)者組成的研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所與信息技術(shù)研究所、國(guó)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”，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。計(jì)算玻色采樣問(wèn)題，“九章”處理5000萬(wàn)個(gè)樣本只需200秒，而目前世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要6億年。

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

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)表示，這一成果使得我國(guó)成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑：量子計(jì)算優(yōu)越性(國(guó)外也稱(chēng)之為 “量子霸權(quán)”)。相關(guān)論文于 12 月 4 日在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

據(jù)介紹，近期，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，同時(shí)滿(mǎn)足相位穩(wěn)定、全連通隨機(jī)矩陣、波包重合度優(yōu)于 99.5%、通過(guò)率優(yōu)于 98% 的 100 模式干涉線(xiàn)路，相對(duì)光程 10-9 以?xún)?nèi)的鎖相精度，高效率 100 通道超導(dǎo)納米線(xiàn)單光子探測(cè)器，成功構(gòu)建了 76 個(gè)光子 100 個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī) “九章”。

根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”對(duì)于處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī) “富岳”快一百萬(wàn)億倍，等效地比谷歌去年發(fā)布的 53 比特量子計(jì)算原型機(jī) “懸鈴木”快一百億倍。同時(shí)，通過(guò)高斯玻色取樣證明的量子計(jì)算優(yōu)越性不依賴(lài)于樣本數(shù)量，克服了谷歌 53 比特隨機(jī)線(xiàn)路取樣實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴(lài)于樣本數(shù)量的漏洞。“九章”輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)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(chǔ)容量是 1022)。

這是我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，這一突破也使我國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)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(guó)古代的數(shù)學(xué)專(zhuān)著《九章算術(shù)》，也是牢固確立了我國(guó)在國(guó)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(wèn)題上的計(jì)算能力超過(guò)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(guò)了未來(lái)在多方面超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的門(mén)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。”澳大利亞昆士蘭大學(xué)教授蒂姆·拉夫說(shuō)：“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(cè)器進(jìn)行探測(cè)，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。”

從20光子輸入60模式干涉線(xiàn)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(kāi)始，高效率100通道超導(dǎo)納米線(xiàn)單光子探測(cè)器性能很低，只有4%。我們通過(guò)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(yáng)說(shuō)，不斷增強(qiáng)量子光源、量子干涉、單光子探測(cè)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(lái)解決日益復(fù)雜的問(wèn)題并體現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)，是量子科學(xué)前沿中的最重要問(wèn)題之一。”美國(guó)科學(xué)院院士、沃爾夫獎(jiǎng)得主、狄拉克獎(jiǎng)?wù)碌弥鞅说?middot;佐勒認(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(zhǎng)，每?jī)赡攴环?。龐大的?shù)據(jù)若不提取，則沒(méi)有意義。”潘建偉說(shuō)。目前，計(jì)算機(jī)傳統(tǒng)的發(fā)展模式受限，超級(jí)計(jì)算機(jī)能耗巨大。在潘建偉看來(lái)，“九章”問(wèn)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(duì)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(jí)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(wàn)個(gè)樣本的高斯玻色取樣問(wèn)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(jí)計(jì)算機(jī)則需要1200億年。正如陸朝陽(yáng)所說(shuō)的那樣：“‘九章’在一分鐘時(shí)間里完成了經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)一億年才能完成的任務(wù)。”

對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研究，國(guó)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(zhuān)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(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問(wèn)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(wàn)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子邏輯門(mén)，研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。

據(jù)陸朝陽(yáng)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(shì)。“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(guò)了超算，“好比賽跑，谷歌的機(jī)器短跑能跑贏(yíng)超算，長(zhǎng)跑跑不贏(yíng);我們的機(jī)器短跑、長(zhǎng)跑都能跑贏(yíng)。”

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(lái)解決某個(gè)特定問(wèn)題。潘建偉認(rèn)為，這是由于目前可用來(lái)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(lái)量子計(jì)算機(jī)的突破，更有可能依賴(lài)于新材料在量子計(jì)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(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(shù)起的一座里程碑。“希望能通過(guò)15年到20年的努力，研制出通用的量子計(jì)算機(jī)，來(lái)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(wèn)題。”潘建偉表示。

《科學(xué)》雜志審稿人評(píng)價(jià)，這是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”“一個(gè)重大成就”。“量子優(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(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。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。