在一個特定賽道上，200秒的“量子算力”，相當(dāng)于目前“最強超算”6億年的計算能力！12月4日，《科學(xué)》雜志公布了中國“九章”的重大突破。
這臺由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等學(xué)者研制的76個光子的量子計算原型機，推動全球量子計算的前沿研究達(dá)到一個新高度。盡管距離實際應(yīng)用仍有漫漫長路，但成功實現(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”的里程碑式突破。
“九章”優(yōu)勝在何處？里程碑式跨越如何實現(xiàn)？“算力革命”走向何方？記者就這些問題采訪了潘建偉團隊。
算力新高度技術(shù)三優(yōu)勢
“量子優(yōu)越性”——橫亙在量子計算研究之路上的第一道難關(guān)。
這是一個科學(xué)術(shù)語：作為新生事物的量子計算機，一旦在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統(tǒng)計算機，就證明了量子計算機的優(yōu)越性，跨過了未來多方面超越傳統(tǒng)計算機的門檻。
多年來，國際學(xué)界一直高度關(guān)注、期待這個里程碑式轉(zhuǎn)折點到來。
去年9月，美國谷歌公司宣布研制出53個量子比特的計算機“懸鈴木”，對一個數(shù)學(xué)問題的計算只需200秒，而當(dāng)時世界最快的超級計算機“頂峰”需要2天，因此他們在全球首次實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。
近期，中科大潘建偉團隊與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建76個光子的量子計算原型機“九章”。
“取名‘九章’，是為了紀(jì)念中國古代著名數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》?！迸私▊フf。
實驗顯示，“九章”對經(jīng)典數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣的計算速度，比目前世界最快的超算“富岳”快一百萬億倍，從而在全球第二個實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。
高斯玻色取樣是一個計算概率分布的算法，可用于編碼和求解多種問題。當(dāng)求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣問題時，“九章”需200秒，而目前世界上最快的超級計算機“富岳”需6億年；當(dāng)求解100億個樣本時，“九章”需10小時，“富岳”需1200億年。
潘建偉團隊表示，相比“懸鈴木”，“九章”有三大優(yōu)勢：一是速度更快。雖然算的不是同一個數(shù)學(xué)問題，但與最快的超算等效比較，“九章”比“懸鈴木”快100億倍。二是環(huán)境適應(yīng)性?！皯意從尽毙枰阆?73.12攝氏度的運行環(huán)境，而“九章”除了探測部分需要零下269.12攝氏度的環(huán)境外，其他部分可以在室溫下運行。三是彌補了技術(shù)漏洞?！皯意從尽敝挥性谛颖镜那闆r下快于超算，“九章”在小樣本和大樣本上均快于超算。
“打個比方，就是谷歌的機器短跑可以跑贏超算，長跑跑不贏；我們的機器短跑和長跑都能跑贏?！彼麄冋f。
20年努力攻克三大技術(shù)難關(guān)
對于“九章”的突破，《科學(xué)》雜志審稿人評價這是“一個最先進的實驗”“一個重大成就”。
多位國際知名專家也給予高度評價。“這是量子領(lǐng)域的重大突破，朝著研制比傳統(tǒng)計算機更有優(yōu)勢的量子設(shè)備邁出一大步！我相信成果背后付出了巨大的努力。”德國馬克斯·普朗克研究所所長伊格納西奧·西拉克說。
美國麻省理工學(xué)院教授德克·英格倫認(rèn)為，這是“一項了不起的成就”“一個劃時代的成果”。
加拿大卡爾加里大學(xué)量子研究所所長巴里·桑德斯說，毫無疑問，這個實驗結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機器的模擬能力。
據(jù)了解，潘建偉團隊這次突破歷經(jīng)了20年努力，從2001年開始組建實驗室，他們曾多次刷新量子糾纏數(shù)量的世界紀(jì)錄?！熬耪隆钡耐黄?，主要攻克了三大技術(shù)難關(guān)：高品質(zhì)量子光源、高精度鎖相技術(shù)、規(guī)?；缮婕夹g(shù)。
其中的高品質(zhì)量子光源，是目前國際上唯一同時具備高效率、高全同性、高亮度和大規(guī)模擴展能力的量子光源?！氨热缯f，我們每次喝下一口水很容易，但要每次喝下一個水分子非常困難。”中科大教授陸朝陽說，高品質(zhì)光源要保證每次只“放出”1個光子，且每個光子要一模一樣，這是巨大挑戰(zhàn)。同時，鎖相精度要控制在10的負(fù)9次方以內(nèi)，相當(dāng)于傳輸一百公里距離，偏差不能超過一根頭發(fā)絲的直徑。
此外，為了核驗“九章”算得“準(zhǔn)不準(zhǔn)”，他們用超算同步驗證?！?0個、20個光子的時候，結(jié)果都能對得上，到40個光子的時候超算就比較吃力了，而‘九章’一直算到了76個光子。”陸朝陽說，另一方面，超算的耗電量太大，計算40個光子時需要電費200萬元，41個光子需要400萬元，42個光子需要800萬元，推算下去將是天文數(shù)字。
“算力革命”躍馬人類未來
當(dāng)前，量子計算已成為全球各國競相角逐的焦點。比如近期，歐盟宣布擬投資80億歐元，研究量子計算等新一代算力技術(shù)。
“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密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、天氣預(yù)報、材料設(shè)計、藥物分析等領(lǐng)域，提供比傳統(tǒng)計算機更強的算力支持。”潘建偉說。
據(jù)了解，國際主流觀點認(rèn)為，量子計算機的發(fā)展將有三個階段：
第一階段，研制50個到100個量子比特的專用量子計算機，實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”里程碑式突破。
第二階段，研制可操縱數(shù)百個量子比特的量子模擬機，解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題，比如量子化學(xué)、新材料設(shè)計、優(yōu)化算法等。
第三階段，大幅提高量子比特的操縱精度、集成數(shù)量和容錯能力，研制可編程的通用量子計算原型機。
目前，“九章”還處在第一階段，但在圖論、機器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。
潘建偉團隊表示，“量子優(yōu)越性”實驗并非一蹴而就的工作，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，但最終量子計算機會產(chǎn)生傳統(tǒng)計算機無法企及的算力。下一步，他們將在光子、超導(dǎo)、冷原子等多條技術(shù)線路上推進研究。
“我對量子計算的前景非常樂觀，世界上有很多聰明人在做這件事，包括我的中國同事們。”奧地利科學(xué)院院長、美國科學(xué)院院士安東·塞林格預(yù)測，很有可能有朝一日量子計算機會被廣泛推廣，“每個人都可以使用”。
