中(zhong)國(guo)科學(xue)(xue)技(ji)術大學(xue)(xue)潘(pan)建偉、陸朝陽等(deng)組成的(de)研(yan)究團隊(dui)與中(zhong)科院上(shang)海(hai)微系統所、國(guo)家并行計(ji)(ji)算(suan)(suan)機(ji)工程技(ji)術研(yan)究中(zhong)心合作,構建了76個(ge)光(guang)子(zi)(zi)的(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)原型機(ji)“九(jiu)(jiu)章”,實現了具有實用(yong)前景(jing)的(de)“高斯(si)玻(bo)色取(qu)樣”任務的(de)快(kuai)速求(qiu)解。根據現有理(li)論,該(gai)量(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)系統處理(li)高斯(si)玻(bo)色取(qu)樣的(de)速度比目前最快(kuai)的(de)超(chao)級計(ji)(ji)算(suan)(suan)機(ji)快(kuai)一(yi)(yi)百萬億倍(“九(jiu)(jiu)章”一(yi)(yi)分鐘完成的(de)任務,超(chao)級計(ji)(ji)算(suan)(suan)機(ji)需要一(yi)(yi)億年)。等(deng)效地,其速度比去年谷歌發布(bu)的(de)53個(ge)超(chao)導比特量(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)原型機(ji)“懸鈴木(mu)”快(kuai)一(yi)(yi)百億倍。這一(yi)(yi)成果使得我國(guo)成功達到(dao)了量(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)研(yan)究的(de)第一(yi)(yi)個(ge)里程碑:量(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)優(you)越性(國(guo)外也稱之為“量(liang)(liang)子(zi)(zi)霸權”)。相關論文于(yu)12月4日在(zai)線發表在(zai)國(guo)際學(xue)(xue)術期刊《科學(xue)(xue)》。

圖(tu)片1:“九章”量子(zi)計算原型(xing)機(ji)光(guang)路系統原理圖(tu) :左上方激光(guang)系統產生(sheng)高(gao)峰值功率(lv)飛秒脈(mo)沖; 左方25個(ge)光(guang)源通過參量下轉換(huan)過程產生(sheng)50路單(dan)模(mo)壓縮態輸入到右方100模(mo)式光(guang)量子(zi)干涉(she)網絡(luo); 最后利用100個(ge)高(gao)效率(lv)超(chao)導單(dan)光(guang)子(zi)探測器對干涉(she)儀輸出光(guang)量子(zi)態進行探測。(制圖(tu):陸朝陽(yang),彭禮超(chao))
量(liang)子計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)機在原理上(shang)具有超快的(de)(de)并行(xing)計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)能(neng)力,可望通過特定算(suan)(suan)(suan)法(fa)在一(yi)些具有重大(da)社會和經(jing)(jing)濟價值的(de)(de)問(wen)題方面(如密碼破譯、大(da)數據優(you)化、材(cai)料設計(ji)(ji)(ji)、藥(yao)物(wu)分析(xi)等)相比(bi)經(jing)(jing)典計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)機實現指數級別的(de)(de)加速。當前,研(yan)制量(liang)子計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)機已成為世界科技前沿的(de)(de)最大(da)挑戰(zhan)之一(yi),成為歐美各發(fa)達國家(jia)角逐的(de)(de)焦(jiao)點。對于量(liang)子計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)機的(de)(de)研(yan)究,本領域的(de)(de)國際同行(xing)公認有三(san)個指標性的(de)(de)發(fa)展階段(duan):
一、發展(zhan)具備50-100個(ge)量子比特的高(gao)精度(du)(du)專用(yong)量子計算(suan)機,對于一些超級計算(suan)機無(wu)法(fa)解(jie)決(jue)的高(gao)復雜度(du)(du)特定問題實現高(gao)效求解(jie),實現計算(suan)科學中“量子計算(suan)優越性”的里(li)程碑(bei)。
二(er)、通過對(dui)規模(mo)化(hua)多體量(liang)(liang)子(zi)體系的精確制(zhi)備、操控(kong)與(yu)探(tan)測,研制(zhi)可(ke)相干操縱數百(bai)個(ge)量(liang)(liang)子(zi)比特的量(liang)(liang)子(zi)模(mo)擬機,用于解(jie)決(jue)若干超級計(ji)算機無法(fa)(fa)勝任的具有(you)重大實(shi)用價值的問題(如(ru)量(liang)(liang)子(zi)化(hua)學(xue)、新材料(liao)設計(ji)、優(you)化(hua)算法(fa)(fa)等)。
三、通(tong)過(guo)積累在專(zhuan)用量(liang)子(zi)計(ji)算與模擬機的(de)(de)研制(zhi)過(guo)程中發(fa)展起來的(de)(de)各種技術,提高量(liang)子(zi)比特的(de)(de)操縱精度使之達到能(neng)超越量(liang)子(zi)計(ji)算苛刻的(de)(de)容錯閾值(>99.9%),大幅度提高可(ke)集成的(de)(de)量(liang)子(zi)比特數目(百萬量(liang)級(ji)),實現容錯量(liang)子(zi)邏輯門,研制(zhi)可(ke)編(bian)程的(de)(de)通(tong)用量(liang)子(zi)計(ji)算原型機。
潘建偉團隊一直(zhi)在光(guang)(guang)量子(zi)(zi)信(xin)息處(chu)理方面處(chu)于國際領先(xian)水(shui)平。2017年(nian),該團隊構建了世界首臺(tai)超越早期經典計(ji)算(suan)機(ENIAC)的光(guang)(guang)量子(zi)(zi)計(ji)算(suan)原型機。2019年(nian),團隊進一步研制了確定(ding)性偏振、高純度、高全同性和(he)高效率的國際最高性能(neng)單光(guang)(guang)子(zi)(zi)源,實現了20光(guang)(guang)子(zi)(zi)輸(shu)入60模(mo)式干涉線路的玻(bo)色(se)取(qu)樣,輸(shu)出復雜(za)度相當于48個量子(zi)(zi)比特(te)的希爾伯特(te)態空間,逼(bi)近了“量子(zi)(zi)計(ji)算(suan)優越性”。

圖片2:光(guang)(guang)(guang)量子干(gan)涉實(shi)物圖:左下(xia)方(fang)為輸入光(guang)(guang)(guang)學部分,右下(xia)方(fang)為鎖相光(guang)(guang)(guang)路,上(shang)方(fang)共輸出100個光(guang)(guang)(guang)學模式,分別通(tong)過低損(sun)耗(hao)單模光(guang)(guang)(guang)纖與100超導(dao)單光(guang)(guang)(guang)子探測器連接。(攝(she)影:馬(ma)瀟漢,梁(liang)競,鄧(deng)宇皓)
近期(qi),該(gai)團隊(dui)通(tong)過(guo)自(zi)主研(yan)制同時(shi)具備高(gao)效率、高(gao)全同性、極高(gao)亮度(du)和大規模擴(kuo)展能力的(de)量(liang)子(zi)光源,同時(shi)滿(man)足相位穩(wen)定、全連通(tong)隨機(ji)矩(ju)陣(zhen)、波(bo)包重合(he)度(du)優(you)于99.5%、通(tong)過(guo)率優(you)于98%的(de)100模式(shi)干涉線路,相對(dui)光程10-9以內的(de)鎖相精度(du),高(gao)效率100通(tong)道超導納米線單光子(zi)探測(ce)器,成功構建(jian)了(le)76個(ge)光子(zi)100個(ge)模式(shi)的(de)高(gao)斯玻色取樣量(liang)子(zi)計算原型(xing)機(ji)“九(jiu)(jiu)章”(命名為(wei)“九(jiu)(jiu)章”是(shi)為(wei)了(le)紀(ji)念中國古代最早的(de)數學專著《九(jiu)(jiu)章算術》)。

圖片3:100模式相(xiang)位穩(wen)定(ding)干涉(she)(she)儀:光量子干涉(she)(she)裝(zhuang)置集成(cheng)在20 cm*20 cm的(de)超低(di)膨脹穩(wen)定(ding)襯(chen)底玻璃(li)上, 用于實現50路單(dan)模壓縮(suo)態間的(de)兩兩干涉(she)(she),并高(gao)精(jing)度地(di)鎖定(ding)任意兩路光束間的(de)相(xiang)位。(攝影:馬瀟漢,梁競,鄧(deng)宇皓)
根據目前(qian)(qian)最優的(de)(de)(de)經(jing)典算法,“九章”對于(yu)(yu)(yu)處理高斯(si)玻色(se)取(qu)樣(yang)的(de)(de)(de)速度比(bi)(bi)(bi)目前(qian)(qian)世界(jie)排(pai)名第(di)一的(de)(de)(de)超級計算機(ji)(ji)(ji)“富岳(yue)”快(kuai)一百萬億(yi)(yi)倍(bei),等效地比(bi)(bi)(bi)谷(gu)歌去(qu)年(nian)發布的(de)(de)(de)53比(bi)(bi)(bi)特(te)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)計算原型機(ji)(ji)(ji)“懸(xuan)鈴木”快(kuai)一百億(yi)(yi)倍(bei)。同時,通(tong)過高斯(si)玻色(se)取(qu)樣(yang)證明的(de)(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)計算優越性(xing)不依賴(lai)于(yu)(yu)(yu)樣(yang)本數(shu)量(liang)(liang),克服(fu)了(le)(le)谷(gu)歌53比(bi)(bi)(bi)特(te)隨(sui)機(ji)(ji)(ji)線路取(qu)樣(yang)實驗中(zhong)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)優越性(xing)依賴(lai)于(yu)(yu)(yu)樣(yang)本數(shu)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)漏洞。“九章”輸出(chu)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)態(tai)空(kong)間(jian)規模(mo)達到了(le)(le)1030(“懸(xuan)鈴木”輸出(chu)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)態(tai)空(kong)間(jian)規模(mo)是1016,目前(qian)(qian)全世界(jie)的(de)(de)(de)存儲容量(liang)(liang)是1022)。該成果牢固確立了(le)(le)我國(guo)(guo)在(zai)國(guo)(guo)際量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)計算研究中(zhong)的(de)(de)(de)第(di)一方(fang)(fang)陣地位,為(wei)未(wei)來實現可解決具有(you)(you)重大(da)實用(yong)(yong)價值問(wen)題的(de)(de)(de)規模(mo)化(hua)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)模(mo)擬機(ji)(ji)(ji)奠(dian)定了(le)(le)技術基(ji)礎。此外,基(ji)于(yu)(yu)(yu)“九章號”量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)計算原型機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)高斯(si)玻色(se)取(qu)樣(yang)算法在(zai)圖論(lun)、機(ji)(ji)(ji)器(qi)學(xue)習、量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)化(hua)學(xue)等領(ling)域具有(you)(you)潛在(zai)應用(yong)(yong),將是后續發展的(de)(de)(de)重要方(fang)(fang)向。

圖片4:光量子干涉(she)示意(yi)圖 (制(zhi)圖:文樂(le),羅弋涵)
《科學》雜志審稿人(ren)評(ping)價(jia)該工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)是“一(yi)個最(zui)先(xian)進的(de)(de)實(shi)驗(yan)”(a state-of-the-art experiment),“一(yi)個重大成就”(a major achievement)。研究人(ren)員希望(wang)這個工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)能(neng)夠激(ji)發更多的(de)(de)經(jing)典(dian)算(suan)(suan)法模擬方面的(de)(de)工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo),也預(yu)計(ji)將來會有提升的(de)(de)空間。量(liang)子優越性實(shi)驗(yan)并不是一(yi)個一(yi)蹴而就的(de)(de)工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo),而是更快的(de)(de)經(jing)典(dian)算(suan)(suan)法和不斷提升的(de)(de)量(liang)子計(ji)算(suan)(suan)硬件之間的(de)(de)競(jing)爭,但最(zui)終量(liang)子并行性會產生經(jing)典(dian)計(ji)算(suan)(suan)機(ji)無(wu)法企及(ji)的(de)(de)算(suan)(suan)力(li)。
上述(shu)項(xiang)目(mu)受到了中國科學(xue)院、安徽省、科技(ji)部、上海市和(he)基金委的支持(chi)。
① 凡本(ben)站注(zhu)明(ming)“稿(gao)(gao)件來(lai)源(yuan):中國教(jiao)育在線(xian)”的(de)所有文字(zi)、圖片和音(yin)視頻稿(gao)(gao)件,版權均屬本(ben)網(wang)(wang)所有,任(ren)(ren)何(he)媒體(ti)、網(wang)(wang)站或個人未(wei)經(jing)本(ben)網(wang)(wang)協議授權不得轉(zhuan)載、鏈接、轉(zhuan)貼或以其(qi)他方式復制發表。已經(jing)本(ben)站協議授權的(de)媒體(ti)、網(wang)(wang)站,在下載使用時必須注(zhu)明(ming)“稿(gao)(gao)件來(lai)源(yuan):中國教(jiao)育在線(xian)”,違者本(ben)站將依法追(zhui)究(jiu)責任(ren)(ren)。
② 本站注(zhu)明稿(gao)件(jian)來源為其他(ta)媒(mei)體的(de)文/圖等稿(gao)件(jian)均為轉(zhuan)(zhuan)載稿(gao),本站轉(zhuan)(zhuan)載出(chu)于非商(shang)業性(xing)的(de)教育和科研之目的(de),并不意味著贊(zan)同(tong)其觀點(dian)或證實其內(nei)容(rong)的(de)真實性(xing)。如轉(zhuan)(zhuan)載稿(gao)涉(she)及版權等問題,請作者在兩周內(nei)速來電(dian)或來函聯(lian)系。




中國教育在線
