這一突破使我國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。

12月4日,中國科學技術(shù)大學宣布:中國科學技術(shù)大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作,構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”。

“九章”的命名,旨在紀念中國古代最早的數(shù)學專著《九章算術(shù)》。

實現(xiàn)我國首次量子計算優(yōu)越性,碾壓谷歌“量子霸權(quán)”

量子優(yōu)越性,即谷歌此宣稱的“量子霸權(quán)”,是近年量子計算中備受關(guān)注的一個方向,“九章”的成功,使得我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑!

量子計算是指利用量子相干疊加原理,能夠解決超出傳統(tǒng)計算機的一些問題,具有超快的并行計算和模擬能力的計算機。

而光量子計算機包含3個主要部分:

第一部分是單光子源,在零下269攝氏度的低溫中,這個設(shè)備通過激光激發(fā)量子點,每次產(chǎn)生一個高品質(zhì)的單光子。

第二部分是超低損耗光量子線路。單光子通過開關(guān)分成5路,通過光纖導入主體設(shè)備光學量子網(wǎng)絡(luò)。

第三部分是單光子探測器,探測矩陣中得到的量子計算結(jié)果。

而潘建偉團隊的實驗用光子實現(xiàn)量子計算過程,大部分實驗均在常溫下進行。

圖 | “九章”量子計算原型機光路系統(tǒng)原理圖

他們將一束定制的激光分成強度相等的13條路徑,聚焦在25個晶體上產(chǎn)生25個特殊狀態(tài)的量子光源,光源通過2米自由空間和20米光纖(其中5米纏繞在一個壓電陶瓷上),進入干涉儀和彼此 “對話”,最后的輸出結(jié)果由100個超導納米線單光子探測器探測,最終有76個探測器探測到了光子。

“高斯玻色采樣”是一種復雜的采樣計算,當問題規(guī)模超過超過某個值時,任何傳統(tǒng)計算機都無法有效模擬,而玻色采樣就是這些特定問題中的一個。但玻色采樣所需要的單光子源在實驗上很難大規(guī)模實現(xiàn),因此人們考慮問題的一個變種——高斯玻色,一個更高效的計算采樣概率的方法,大大減少了模擬采樣所需的代價。

根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法,“九章”對于處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級計算機“富岳”快100萬億倍,等效對比谷歌去年發(fā)布的53比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。

同時,通過高斯玻色取樣證明的量子計算優(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量,克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞?！熬耪隆陛敵隽孔討B(tài)空間規(guī)模達到了1030(“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)模是1016,目前全世界的存儲容量是1022)。

加拿大卡爾加里大學教授、量子科學和技術(shù)研究所所長 Barry Sanders 表示:

我認為這是一項杰出的工作,改變了當前的格局 ( It’s the game changer)。我們一直努力證明量子信息處理可以戰(zhàn)勝經(jīng)典的信息處理。這個實驗使經(jīng)典計算機望塵莫及。

去年,谷歌取得了一項巨大的成果,即量子計算優(yōu)越性,但這是有爭議的……這個實驗(潘建偉院士團隊的實驗)不存在爭論,毫無疑問,該實驗取得的結(jié)果遠遠超出了傳統(tǒng)機器的模擬能力。

此外,基于“九章”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(lǐng)域具有潛在應用,將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。

“九章”背后的團隊:量子優(yōu)越性實驗并不是一蹴而就

在光量子信息處理方面,潘建偉團隊一直處于國際領(lǐng)先水平。

2017年,該團隊構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機(ENIAC)的光量子計算原型機。

2019年,團隊進一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源,實現(xiàn)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個量子比特的希爾伯特態(tài)空間,逼近了“量子計算優(yōu)越性”。

而本次成果,則進一步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(xiàn)可解決具有重大實用價值問題的規(guī)?；孔幽M機奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

如今,各個國家都希望爭奪科技的制高點,量子科學的科技應用很可能是致勝的關(guān)鍵。

值得注意的是,相關(guān)的論文已經(jīng)于12月3日凌晨在線發(fā)表在國際知名的學術(shù)期刊《科學》上。

《科學》雜志審稿人評價該工作是“一個最先進的實驗”、“一個重大成就”。此外,還有許多來自美國科學院、知名大學、研究機構(gòu)的專家,對于此次量子科學領(lǐng)域的最新成果都給予了高度評價。

對于此次研究,參與者陸朝陽在接受采訪時表示,希望這個工作能夠激發(fā)更多的經(jīng)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(yōu)越性實驗并不是一個一蹴而就的工作,而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭,但最終量子并行性會產(chǎn)生經(jīng)典計算機無法企及的算力。