比最快超算快一億億倍! “九章三號(hào)”來了
2021年,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作,成功研制113光子144 模式的可相位編程“九章二號(hào)” ,成果刊登在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。這一突破使我國成為全球第二個(gè)(第一個(gè)為谷歌的 Sycamore )實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。
“九章三號(hào)”再創(chuàng)紀(jì)錄
在兩年后,他們?cè)俅涡家殉晒?gòu)建量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”,計(jì)算速度比目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一億億倍。
央視新聞、新華社等多家媒體報(bào)道了這一令人興奮的消息
10月11日據(jù)中科大官網(wǎng)報(bào)道,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作,成功構(gòu)建了255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”,再度刷新了光量子信息的技術(shù)水平和量子計(jì)算優(yōu)越性的世界紀(jì)錄。
科研人員設(shè)計(jì)了時(shí)空解復(fù)用的光子探測(cè)新方法,構(gòu)建了高保真度的準(zhǔn)光子數(shù)可分辨探測(cè)器,提升了光子操縱水平和量子計(jì)算復(fù)雜度。根據(jù)公開正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典精確采樣算法,“九章三號(hào)”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號(hào)”提升一百萬倍?!熬耪氯?hào)”在百萬分之一秒時(shí)間內(nèi)所處理的最高復(fù)雜度的樣本,需要當(dāng)前最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”(Frontier)花費(fèi)超過二百億年的時(shí)間。這一成果進(jìn)一步鞏固了我國在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。
實(shí)驗(yàn)裝置示意圖(圖自:中科大)
如果沒有他們,“九章三號(hào)”還要晚一年出來
在“九章三號(hào)”的研發(fā)過程中,還有一個(gè)小插曲。
2021年11月24日,中國科技大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心發(fā)布的一則《關(guān)于對(duì)理化大樓06-004實(shí)驗(yàn)室漏水進(jìn)行及時(shí)處置的相關(guān)人員進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)的通報(bào)》顯示,量子計(jì)算機(jī)“九章”實(shí)驗(yàn)室發(fā)生漏水,5名學(xué)生及時(shí)處置本次險(xiǎn)情,避免了至少2400萬元財(cái)產(chǎn)損失和可能造成的“九章三號(hào)”的研發(fā)延誤。
通報(bào)提及,凌晨?jī)牲c(diǎn)去01-004實(shí)驗(yàn)室調(diào)試程序的鐘翰森同學(xué)首先發(fā)現(xiàn)漏水,他立即召集隔壁實(shí)驗(yàn)室的博士后吳典和覃儉、鄧宇浩、彭禮超等同學(xué)一起積極引水,并及時(shí)通知物業(yè)踹開06-004室房門,關(guān)閉了水閥。
通報(bào)指出,由于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并緊急處置,實(shí)驗(yàn)室漏水被第一時(shí)間有效導(dǎo)流至他處并收集,除造成01-004實(shí)驗(yàn)室一臺(tái)臺(tái)式電腦損壞外,未造成其他損失。為此,合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心研究決定,給予5名學(xué)生共計(jì)稅后12萬元的獎(jiǎng)勵(lì)。
這五名學(xué)生名為吳典、覃儉、鄧宇浩、彭禮超和鐘翰森,關(guān)注量子計(jì)算領(lǐng)域的人看到這幾個(gè)名字應(yīng)該很熟悉。去年登上Sicence的中國量子研究,「Quantum computational advantage using photons」的作者,以及“九章”和“九章二號(hào)”成果論文作者名單,都包含這五位。
巧合的是,合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心當(dāng)時(shí)剛被美方列入“實(shí)體清單”,而獲發(fā)獎(jiǎng)金的五子均有參與“九章”論文寫作,勇救“九章”行動(dòng)成為佳話。如果當(dāng)時(shí)漏水事件未得到及時(shí)處置,會(huì)延誤“九章三號(hào)”實(shí)驗(yàn)一年以上。
這張通報(bào),再次讓我們感受到“九章”的重要性。據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官微介紹,量子計(jì)算機(jī)的研制是世界各國角逐的焦點(diǎn),而“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)確立了中國在國際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位。盡管距離實(shí)際應(yīng)用仍有漫漫長(zhǎng)路,但成功實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算優(yōu)越性”的里程碑式突破。
光量子計(jì)算的國際競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)
量子計(jì)算是后摩爾時(shí)代的一種新的計(jì)算范式,它在原理上具有超快的并行計(jì)算能力,可望通過特定量子算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。因而,研制量子計(jì)算機(jī)是當(dāng)前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。
為此,國際學(xué)術(shù)界制定了三步走的發(fā)展路線。其中,第一步是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”,即通過對(duì)近百個(gè)量子比特的高精度量子調(diào)控,對(duì)特定問題的求解展現(xiàn)超級(jí)計(jì)算機(jī)無法比擬的算力,這標(biāo)志著40年前 Feynman等人的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。“量子計(jì)算優(yōu)越性”實(shí)驗(yàn)還可用于檢驗(yàn)計(jì)算科學(xué)的“擴(kuò)展的丘奇—圖靈論題”。同時(shí),在此過程中,發(fā)展出可擴(kuò)展的量子調(diào)控技術(shù),為具備容錯(cuò)能力的通用量子計(jì)算機(jī)的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)。
2019年,美國谷歌和加州大學(xué)發(fā)布了53比特“懸鈴木”超導(dǎo)量子計(jì)算處理器,宣稱用200秒求解的隨機(jī)線路采樣問題需要超級(jí)計(jì)算機(jī)一萬年時(shí)間求解。然而,這一宣稱隨后受到了中國科學(xué)家的挑戰(zhàn),改進(jìn)后的經(jīng)典算法使得超算上的計(jì)算時(shí)間從一萬年縮短到數(shù)十秒,快于“懸鈴木”量子處理器。
光量子計(jì)算的國際競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)(圖自:央視新聞)
據(jù)介紹,玻色取樣是用來展示量子計(jì)算優(yōu)越性的特定任務(wù)中的一項(xiàng),大致可以理解為:“一個(gè)光路有很多個(gè)出口,問每一個(gè)出口有多少光出去?!薄熬耪隆备皯意從尽钡膮^(qū)別,一是處理的問題不同,二是用來造量子計(jì)算機(jī)的物理體系不同?!熬耪隆庇玫氖枪鈱W(xué),“懸鈴木”用的是超導(dǎo)。技術(shù)路線不同,“九章”在同樣的賽道上比“懸鈴木”快一百億倍,這就是等效速度,牢固確立了中國在國際量子計(jì)算研究中“第一方陣”地位。
唯一在光學(xué)和超導(dǎo)上都達(dá)到“量子優(yōu)越性”的國家
2020年,中國科大團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建76光子的“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)[Science 370, 1460 (2020)],首次在國際上實(shí)現(xiàn)光學(xué)體系的“量子計(jì)算優(yōu)越性”,并克服了谷歌實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。2021年,中國科大團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號(hào)”[PRL 127, 180502 (2021)]和56比特的“祖沖之二號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)[PRL 127, 180501 (2021)],使我國成為唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩種技術(shù)路線都達(dá)到了“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國家。
在這個(gè)“量子計(jì)算優(yōu)越性”戰(zhàn)略高地,國際競(jìng)爭(zhēng)呈現(xiàn)出白熱化。位于加拿大多倫多的Xanadu公司與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院合作,采用與“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)相同的高斯玻色取樣路線,在2022年發(fā)布了216光子的“北極光”量子處理器,在國際上第二個(gè)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)體系“量子計(jì)算優(yōu)越性”。
光量子計(jì)算的國際競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)(圖自:中科大)
中國科大團(tuán)隊(duì)在理論上首次發(fā)展了包含光子全同性的新理論模型,實(shí)現(xiàn)了更精確的理論與實(shí)驗(yàn)的吻合;同時(shí),發(fā)展了完備的貝葉斯驗(yàn)證和關(guān)聯(lián)函數(shù)驗(yàn)證,全面排除了所有已知的經(jīng)典仿冒算法,為量子計(jì)算優(yōu)越性提供了進(jìn)一步數(shù)據(jù)支撐。在技術(shù)上,研制了基于光纖時(shí)間延遲環(huán)的超導(dǎo)納米線探測(cè)器,把多光子態(tài)分束到不同空間模式并通過延時(shí)把空間轉(zhuǎn)化為時(shí)間,實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)光子數(shù)可分辨的探測(cè)系統(tǒng)。
這一系列創(chuàng)新使得研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)255個(gè)光子的操縱能力,極大地提升了光量子計(jì)算的復(fù)雜度,處理高斯玻色取樣的速度比“九章二號(hào)”提升了一百萬倍。在激烈的國際競(jìng)爭(zhēng)角逐中,“九章三號(hào)”的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步鞏固了我國在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。
進(jìn)一步,在構(gòu)建“九章”系列光量子計(jì)算原型機(jī)的基礎(chǔ)上,中國科大研究團(tuán)隊(duì)揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系,完成對(duì)稠密子圖和Max-Haf兩類具有實(shí)用價(jià)值的圖論問題的求解,相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)精確模擬的速度快1.8億倍[PRL 130, 190601 (2023)]。此外,又在國際上首次演示了無條件的多光子量子精密測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)[PRL 130, 070801(2023)]。
九章三號(hào)的計(jì)算復(fù)雜度需要花費(fèi)超級(jí)計(jì)算機(jī)的時(shí)間。1微秒可算出的最復(fù)雜樣本,當(dāng)前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”(Frontier)約需200億年。(圖自:中科大)量子計(jì)算優(yōu)越性的研究是一個(gè)復(fù)雜而富有挑戰(zhàn)性的工作,量子計(jì)算硬件與經(jīng)典算法之間存在著長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)。研究人員期待這項(xiàng)工作一方面能夠激發(fā)更多關(guān)于經(jīng)典算法模擬的研究工作,另一方面有助于逐步解決量子計(jì)算研究中的各種科學(xué)和工程挑戰(zhàn)。
上述項(xiàng)目受到了安徽省、上海市、科技部、中國科學(xué)院和基金委的支持。
國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表該成果。論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/issues/131/15
來源:電子工程專輯
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