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實現(xiàn)算力全球領(lǐng)先,中國量子計算原型機“九章”問世
最后更新: 2020-12-04 07:24:04據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)12月4日消息,該校潘建偉、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”,實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。根據(jù)現(xiàn)有理論,該量子計算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍(“九章”一分鐘完成的任務(wù),超級計算機需要一億年)。等效地,其速度比去年谷歌發(fā)布的53個超導(dǎo)比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。這一成果使得我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑:量子計算優(yōu)越性(國外也稱之為“量子霸權(quán)”)。相關(guān)論文于12月4日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。
圖片1:“九章”量子計算原型機光路系統(tǒng)原理圖 :左上方激光系統(tǒng)產(chǎn)生高峰值功率飛秒脈沖; 左方25個光源通過參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生50路單模壓縮態(tài)輸入到右方100模式光量子干涉網(wǎng)絡(luò); 最后利用100個高效率超導(dǎo)單光子探測器對干涉儀輸出光量子態(tài)進行探測。(制圖:陸朝陽,彭禮超)
量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力,可望通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面(如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計、藥物分析等)相比經(jīng)典計算機實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。當(dāng)前,研制量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一,成為歐美各發(fā)達國家角逐的焦點。對于量子計算機的研究,本領(lǐng)域的國際同行公認(rèn)有三個指標(biāo)性的發(fā)展階段:
一、發(fā)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法解決的高復(fù)雜度特定問題實現(xiàn)高效求解,實現(xiàn)計算科學(xué)中“量子計算優(yōu)越性”的里程碑。
二、通過對規(guī)?;囿w量子體系的精確制備、操控與探測,研制可相干操縱數(shù)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(xué)、新材料設(shè)計、優(yōu)化算法等)。
三、通過積累在專用量子計算與模擬機的研制過程中發(fā)展起來的各種技術(shù),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%),大幅度提高可集成的量子比特數(shù)目(百萬量級),實現(xiàn)容錯量子邏輯門,研制可編程的通用量子計算原型機。
潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處于國際領(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(fù)雜度相當(dāng)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”。
圖片2:光量子干涉實物圖:左下方為輸入光學(xué)部分,右下方為鎖相光路,上方共輸出100個光學(xué)模式,分別通過低損耗單模光纖與100超導(dǎo)單光子探測器連接。(攝影:馬瀟漢,梁競,鄧宇皓)
近期,該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(guī)模擴展能力的量子光源,同時滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機矩陣、波包重合度優(yōu)于99.5%、通過率優(yōu)于98%的100模式干涉線路,相對光程10-9以內(nèi)的鎖相精度,高效率100通道超導(dǎo)納米線單光子探測器,成功構(gòu)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(jì)念中國古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》)。
圖片3:100模式相位穩(wěn)定干涉儀:光量子干涉裝置集成在20 cm*20 cm的超低膨脹穩(wěn)定襯底玻璃上, 用于實現(xiàn)50路單模壓縮態(tài)間的兩兩干涉,并高精度地鎖定任意兩路光束間的相位。(攝影:馬瀟漢,梁競,鄧宇皓)
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”快一百萬億倍,等效地比谷歌去年發(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)。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(xiàn)可解決具有重大實用價值問題的規(guī)模化量子模擬機奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。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(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。
圖片4:光量子干涉示意圖 (制圖:文樂,羅弋涵)
《科學(xué)》雜志審稿人評價該工作是“一個最先進的實驗”(a state-of-the-art experiment),“一個重大成就”(a major achievement)。研究人員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(yù)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。
上述項目受到了中國科學(xué)院、安徽省、科技部、上海市和基金委的支持。
- 責(zé)任編輯: 連政 
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