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[光明日报]量子计算优越性,看中国!

发布日期:2021-11-05 10:48:55  来源:光明日报

量子计算优越性,看中国!

《光明日报》(2021年11月04日 16版)

日前,中国科学技术大学潘建伟院士领导的量子计算机研发团队,来了个“双黄蛋”——“祖冲之二号”和“九章二号”两项科研成果同时发表在国际学术期刊《物理评论快报》上。“祖冲之二号”构建了66比特可编程超导量子计算原型机,实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解;“九章二号”则再次刷新了国际上光量子操纵的技术水平,处理特定问题的速度比经典超级计算机快亿亿亿倍,进一步提供了量子计算加速的实验证据。著名量子物理学家、加拿大卡尔加里大学教授Barry Sanders撰写长篇评述文章,称该工作是“令人激动的实验杰作”“令人印象深刻的最前沿的进步”。中国,是目前世界上唯一在超导量子和光量子两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。

量子计算的前世今生

物理学界认为,1981年5月是标志着量子计算开始的重要时刻。

那年的一场会议演讲中,加州理工学院物理学教授、1965年诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼提出了两个极具前瞻性的问题:经典计算机是否能够有效地模拟量子系统?舍弃经典的图灵机模型而利用具有奇特性质的量子材料,能否建造出模拟量子系统的计算机?

费曼的观点影响了以后量子计算的发展,随着研究的不断深入,人们越发意识到量子计算的重要意义——这是一种全新的计算模式,是对计算和信息本质的深入探究和发现。

“量子计算机是用量子力学原理制造的计算机,目前还处于很初步的阶段。相应的,现有的我们在用的计算机被称为经典计算机。”中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室副研究员袁岚峰告诉记者,“电脑通过电路的开和关进行计算,而量子计算机则是以量子的状态作为计算形式。”

我们日常使用的电脑,不管是屏幕上的图像还是输入的汉字,这些信息在硬件电路里都会转换成0和1,每个比特要么代表0,要么代表1,这些比特就是信息,然后再进行传输、运算与存储。正是因为这种0和1的“计算”过程,电脑才被称为“计算机”。

量子计算机的原理与传统计算机完全不同,其理论依据是量子力学中的量子叠加原理施展并行计算的能力。“量子力学允许一个物体同时处于多种状态。那么,在量子计算中,0和1同时存在,就意味着很多个任务可以同时完成。它的关键取决于观测方法,因此具有超越经典计算机的运算能力。”中国科学技术大学教授陆朝阳说,每个量子比特,不仅可以表示0或1,还可以表示成0和1分别乘以一个系数再叠加,随着系数的不同,这个叠加的形式可能性会很多很多。

“要了解量子计算机的能力,我们可以用‘走迷宫’为例来解释。”陆朝阳教授说,传统计算机走迷宫,每次只能选择一条路去尝试,如果失败了,就只能从头再来。

“但是量子计算机走迷宫,就好比同时有10个人一起尝试不同的路,瞬间就把所有可能都尝试一遍,很快就能找到那条正确的路。”陆朝阳说,因此,量子计算机完全突破了经典计算机的限制,潜力无穷。

“例如,研发一款新药往往需要数年,大量的时间都耗费在计算化学结构上。如果应用量子计算机研发新药,就能极大地提高运算效率,说不定人类就能尽早研制出癌症等不治之症的‘解药’。”中国科学院量子信息重点实验室副主任、中国科学技术大学教授郭国平说,现在人类使用的最高端的密码系统,比如银行、保险、政府机构等,都是用极大质数来加密——利用传统计算机求解极大质数的因数非常困难,需要几十、甚至上百年时间,但是用量子计算机,破解这样的密码只需一眨眼的工夫。

但量子计算机与经典计算机并非是替代的关系。袁岚峰介绍,量子计算机只是对某些问题超过经典计算机。“有些问题经典计算机已经算得很快了,如加减乘除,量子计算机对它们就没有任何优势。”目前物理学界的普遍共识是,量子计算机不可能完全取代经典计算机,只能在某些有特定难度的问题上替代经典计算机,实现量子加速。“量子计算机永远都不会完全取代经典计算机,两者会各自在适合的场景使用。”

中国成果终结“量子优越性”争论

在衡量量子计算机的算力时,我们会反复提及一个术语:量子优越性,也叫量子霸权。“量子计算机在某个问题上超越现有的最强的经典计算机,被称为‘量子优越性’或者叫‘量子霸权’。”袁岚峰解释说,“实际上,‘量子霸权’是一个科学术语,跟国际政治无关。”

根据科学家推算,一旦能够操纵53个量子,量子计算机的算力就会超越传统架构的超级计算机。目前人类最强的超级计算机是日本的“富岳”,它由400台计算机组成,每台重两吨,1秒钟可以实现1.051京(京是比兆更大的单位,1京=1亿×1亿)次的计算。而量子计算机只需操纵53个量子比特就能超越“富岳”。

可见,只要人类能够操纵足够多的量子比特,那么量子计算机1秒钟的计算能力,就将完全碾压人类有史以来所有经典计算机的算力之和。

然而,这只是一个理论推算。在很长一段时间中,量子计算机是否能实现量子优越性都是一个问号——量子态脆弱而敏感,极易受到周围环境噪声的影响,在实际的物理体系中去建造一台量子比特数足够多、操控保真度足够高的量子计算机,是一项严峻的挑战。

2019年10月,在持续重金投入多年以后,谷歌宣布实现了“量子优越性”——他们设计、构建了包含53个可用量子比特的可编程超导量子处理器,命名为“悬铃木”。在随机线路采样这一特定任务上,“悬铃木”展现出超过世界上最先进超级计算机的能力。

中国科学家在取得量子信息传输领先地位的同时,也加紧了量子计算机的研发。

2020年12月,潘建伟、陆朝阳等人组成的研究团队设计、构建了76个光子的量子计算原型机“九章”,实现了高斯玻色采样任务的快速求解。研究显示,“九章”等效地比“悬铃木”快一百亿倍,这一成果使我国成为第二个实现“量子计算优越性”的国家。

2021年5月,潘建伟院士团队又成功研制出62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”,并实现可编程的二维量子行走。

如今,“九章”和“祖冲之”双双升级。

与“九章”相比,“九章二号”极大地提高了量子优势:对于高斯玻色采样问题,“九章”一分钟完成的任务,超级计算机“富岳”需要花费一亿年来解决;“九章二号”一毫秒可以解出的问题,“富岳”需要算30万亿年!最重要的是,“九章二号”还具有了部分可编程的能力。

“祖冲之二号”则通过操控其上的56个量子比特,在随机线路采样任务上实现了量子计算优越性,所完成任务的难度比“悬铃木”高2~3个数量级。

终于,量子计算机是否能实现“量子霸权”的问题再无争议——有专家认为:“两个实验性量子计算机解决了迄今最复杂的问题,这意味着是否能达到量子计算优越性的争论就此结束。”

“‘量子计算优越性’不是一蹴而就的事情,它是量子计算和经典计算的持续竞争。”郭国平解释说,经典计算理论学家也会不断努力、设计出更好的算法来挑战量子计算机,量子物理学家则会不断升级、设计新装置,获得更高的量子优越性以使经典计算愈发望尘莫及。“经典计算和量子计算将相互促进,共同加深我们对计算和信息本质的理解。”

两条技术路线均领先,中国量子计算的又一个开始

凭借“九章”和“祖冲之”,中国科大团队在多个不同物理体系中均实现了“量子优越性”。而“九章二号”和“祖冲之二号”的问世,则成了中国在量子计算机优越性上的又一个里程碑。

实际上,早在今年6月,在经历严格的同行评议而正式发表之前,“祖冲之二号”“九章二号”的研究论文就提前公开在预印本平台上,并引起国内外学界、媒体以及普通民众的广泛关注和讨论。

《科学美国人》杂志在上述论文公开两周后,刊登了题目为《新研究表明,中国在全球量子竞赛中领先》的文章。文章指出:“2017年,当中国的科学家团队从‘墨子号’卫星发射纠缠光子,进行世界上第一次量子安全视频通话时,专家们认为中国已经在量子通信方面处于世界领先地位。而新研究(‘祖冲之二号’、‘九章二号’等工作)表明,中国的领先地位已经扩展到量子计算领域。”

“九章”的出色表现,牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位,为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。

如今,“九章二号”把光子数从原来的最多76升级到了最多113,由此导致对经典计算机的优势从一百万亿倍增加到了一亿亿亿倍。

“祖冲之二号”相对于经典计算机的优势是一千万倍。简单地说,“九章二号”进一步扩大了对经典计算机的优势,而“祖冲之二号”则取得了这一技术路线的新的世界纪录。

因此,我们可以宣告中国是世界上唯一一个在两条技术路线上实现量子优越性的国家。从这个意义上说,中国的量子计算研究处于世界领先地位。

这一切,早有谋划。

2019年9月15日,在安徽省合肥市举办的“新兴量子技术国际会议”上,形成了《量子信息和量子技术白皮书(合肥宣言)》。国际专家在宣言中对量子计算的三个发展阶段达成了共识:第一个阶段是实现量子优越性,即针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机;第二个阶段是实现具有应用价值的专用量子模拟系统;第三个阶段是实现可编程的通用量子计算机。

显然,“九章”“祖冲之”都在向更高的阶段努力。例如,“九章”将继续探索在量子机器学习、量子化学等具有实际价值的问题上的应用,而“祖冲之2.0”处理器是一种完全兼容量子纠错的可拓展芯片架构,将继续向量子纠错和实现复杂量子算法迈进。

“中国在光学和超导两条技术路线都实现了量子计算优越性,超越了美国。但这远远不是结束,而是开始。”袁岚峰说。(常河)


(责任编辑:张文琪)
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