关于ZAKER 融媒体解决方案 合作 加入
上观新闻 2020-12-04

中国“九章”石破天惊的背后:量子计算全球“神仙打架”四十年

" 昔在庖犠氏始画八卦,以通神明之德,以类万物之情,作九九之数,以合六爻之变。" 2000 年前中国古代数学著作《九章算术》的第一句话。

两千年后的今天,中国科学家向全世界宣布,已构建了 76 个光子的量子计算原型机 " 九章 ",实现了具有实用前景的 " 高斯玻色取样 " 任务的快速求解,比目前最快的超级计算机快一百万亿倍。这也意味着,达到并超越量子计算的第一个里程碑:量子计算优越性(国外也称之为 " 量子霸权 ")。

细心的人可以发现,中国的光量子原型机 " 九章 ",速度比去年谷歌发布的 53 个超导比特量子计算原型机 " 悬铃木 " 快一百亿倍。

一个 " 光 ",一个 " 超导 ",两者殊途同归,自量子计算原理发现之初已经彼此对立,各自发展,争夺着量子世界最高算力的王座。

此次中国 " 九章 " 石破惊天,是否意味着 " 双雄之争 " 已经结局?看似离普通人十分遥远的 " 神仙打架 ",将给世界带来什么?复旦大学物理系施郁教授带来解读。

从 " 亦敌亦友 " 的两位诺贝尔奖得主说起

在微观领域中,某些物理量的变化是以最小的单位跳跃式进行的,而不是连续的,这个最小的基本单位叫做量子。然而,当人类深入探究量子世界时却陷入了 " 泥沼 ":单个粒子一旦与外部世界发生互动,就会丧失它们神奇的量子特性。因此,量子物理预言的许多现象无法被直接观测。这一窘境直到上世纪 80 年代才因两位科学家的工作得以改变——

法国人塞尔日 · 阿罗什和美国人戴维 · 瓦恩兰,分别找到了方法操控单个粒子,而不破坏其量子态,为人类深入认识量子世界提供了开锁的钥匙。据此,两人共同成为 2012 年诺贝尔物理学奖获得者。

如果用 " 让光与物质起舞 " 来形容两位获奖者的工作,并不为过。他们的研究有许多共通之处——都是光与物质在微观世界中的相互作用,但 " 方向 " 却截然相反。戴维 · 瓦恩兰在真空和超低温条件下,巧妙使用激光束和激光脉冲制造出 " 陷阱 ",来俘获单个带电离子,让它陷于其中难动分毫,而后以光为尺,对其进行观测、操控。塞尔日 · 阿罗什则反其道而行之。他以特制的两个镜面做成 " 腔 " 装置,当微波光子通过时,在两面镜子之间高速反弹,在腔中停留时间达 0.1 秒。如此,光子被牢牢控制住后,再派原子进去 " 巡逻探查 ",以此掌握单个光子在量子态下的运动。

可以看出,两条路线既是 " 朋友 ",也是 " 敌人 "。他们的工作共同迈出了量子态研究的第一步,但在应用领域,两者又存在绝对的竞争关系。通常来说,数字信息处理的单元叫做比特,无论是用原子探查光,还是用光捕获离子,研究的对象都是可用作量子比特的单个原子或离子系统。

然而,真正进入量子计算机的构建阶段,两个方法只能择其一。

" 超 " 高一尺," 光 " 高一丈

这种 " 对立 ",始终延续。

演示量子计算优越性目前有两种途径:利用超导量子比特实现随机线路取样和利用光子实现玻色取样。

去年 9 月,多家海外媒体披露,谷歌(Google)一份内部研究报告显示,其研发的量子计算机成功在 3 分 20 秒时间内,完成传统计算机需 1 万年时间处理的问题,并声称是全球首次实现 " 量子霸权 "(即指量子计算机在速度和可完成运算项目上,超越先有最快的传统计算机)。

在第二种路线上," 九章 " 的构建者中国科技大学团队一直保持国际领先。

2018 年 6 月,中国科学技术大学宣布,潘建伟教授及其同事陆朝阳等与中科院上海微系统与信息技术研究所尤立星研究员小组合作,实验研究了一种量子计算模型 " 玻色采样 " 对光子损失的影响,证明容忍一定数目光子损失的玻色采样可以带来采样率的有效提升。该研究成果为通过玻色采样实现量子霸权开辟了一条高效的途径。6 月 6 日,这一研究以 " 编辑推荐文章 " 的形式在线发表于《物理评论快报》。美国物理学会 Physics 网站邀请澳大利亚量子计算和量子通信技术国家研究中心奥斯汀(Austin Lund)博士以 " 光子损耗不会使得量子采样脱轨 " 为题,在 " 观点 " 专栏对这一研究成果作了评述。

在量子计算领域,能演示量子机器在特定问题上优于经典计算机的实验被国际学术界称为 " 量子计算优越性 "。2010 年,麻省理工学院 Aaronson 等在理论上提出玻色采样,并严格证明此模型是实现量子计算优越性的有效途径之一。但是玻色采样的一个实验挑战是光子的损耗。潘建伟研究团队首次在实验上探索了可容忍光子损耗的玻色采样。该团队发展了国际上最高效率和品质的量子点单光子源,并自主研发了集成 127 个分束器的具有最高透过率的光量子线路。结合上海微系统与信息技术研究所尤立星团队研制的高性能超导纳米线单光子探测器(SNSPD),实验证明,在损耗一定光子数的情况下,玻色采样仍然保持其原来的计算复杂度。与此同时,这种新型的玻色采样可以指数级地提升采样速率。该研究成果表明我国继续在光学量子计算方面保持国际领先水平,并向超越经典计算能力的量子霸权研究目标又迈进了一步。

2019 年 12 月,中科大宣布,他们利用自主研发的先进单光子源、多通道光学干涉仪,与中科院上海微系统与信息技术研究所研究员尤立星以及德国、荷兰的科学家合作,成功实现了 20 光子输入 60 × 60 模式 ( 60 个输入口,60 层的线路深度,包括 396 个分束器和 108 个反射镜 ) 干涉线路的玻色取样实验。与国际学界之前的研究成果相比,此次实验成功操纵的单光子数增加了 5 倍,模式数增加了 5 倍,取样速率提高了 6 万倍,输出态空间维数提高了百亿倍。其中由于多光子高模式特性,输出态空间达到了 370 万亿维数——

这等效于构建了 48 个量子比特计算空间。当时发表该研究结果的《物理评论快报》审稿人认为,这项研究突破是 " 一个巨大的飞跃 "," 是通往实现‘量子霸权’的‘弹簧跳板’ "。

今天,中国科学家的凭借孜孜以求,从 48,一举弹到了 76。

" 神仙打架 ",给普通人带来了什么

已有数据显示," 九章 " 对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机 " 富岳 " 快一百万亿倍,等效地比谷歌去年发布的 53 比特量子计算原型机 " 悬铃木 " 快一百亿倍。该成果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。

在复旦大学物理系教授施郁看来,基于两种技术路线的算力的竞争,依然在继续。

那么,这普通人看来像天书般的科研竞争,将为普通人的生活带来怎样的改变呢?

与传统计算机 "0-1" 非此即彼二象性的计算基础相比,量子计算机的基础——量子,同时处于多种状态和多个位置的 " 叠加 "。这无疑将打破传统计算机界限,使计算机运算能力呈几何级数剧增,并由此带来适应其 " 并行计算 " 特点的化学、人工智能等技术理论研究的突破,延伸至下游应用技术,可能引发物流、金融、能源等多个与日常生活紧密相关的领域的生态变革。

栏目主编:徐瑞哲 本文作者:彭德倩 文字编辑:徐瑞哲 题图来源:新华社

以上内容由"上观新闻"上传发布 查看原文
上观新闻

上观新闻

站上海,观天下

订阅

觉得文章不错,微信扫描分享好友

扫码分享

热门推荐

查看更多内容

热门订阅 换一批

查看全部