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中國驕傲丨“九章三號”量子計算原型機問世 中國研製量子電腦更進一步

華夏經緯網 > 新聞 > 熱點聚焦      2023-10-18 10:15:50

中國驕傲

【華夏經緯網綜合報道】在競爭激烈的量子科技前沿,中國科學家在研製量子電腦之路上又邁出關鍵一步。近日,中國科學技術大學中國科學院量子資訊與量子科技創新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊與中國科學院上海微系統所、國家並行電腦工程技術研究中心合作,成功構建了255個光子的量子計算原型機“九章三號”,再度刷新了光量子資訊的技術水準和量子計算優越性的世界紀錄。

國際知名學術期刊《物理評論快報》10月11日發表了這一成果。根據公開正式發表的最優經典精確採樣演算法,“九章三號”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號”提升100萬倍,它在百萬分之一秒時間內所處理的最高複雜度的樣本,需要當前最強的超級電腦“前沿”(Frontier)花費超過200億年的時間。


量子計算研究位於國際第一方陣

2020年12月4日,中國科學技術大學宣佈該校潘建偉等人成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”,僅用200秒就能求解演算法。(圖源:新華社)

2020年12月4日,中國科學技術大學宣佈該校潘建偉等人成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”,僅用200秒就能求解演算法。(圖源:新華社)

作為資訊科技“後摩爾時代”一種新型計算範式,量子計算在原理上具有超快並行計算能力,可通過特定演算法産生超越傳統電腦的算力,解決重大經濟社會問題。因此,研發具有實用價值的量子電腦,一直是量子計算領域最重要的發展目標之一,也是當前世界科技前沿的兵家必爭之地。

對於量子電腦的研究,該領域的國際同行公認有三個指標性的發展階段,其中,第一階段就是實現“量子計算優越性”,即通過對近百個量子比特的高精度量子調控、對特定問題的求解,展現超級電腦無法比擬的算力。同時,在此過程中,發展出可擴展的量子調控技術,為研製具備容錯能力的通用量子電腦提供技術支撐。

2020年12月,中國科學技術大學團隊成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”,處理高斯玻色取樣問題的速度比當時最快的超級電腦快100萬億倍,使中國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家,確立了中國在國際量子計算研究中的第一方陣地位。發表這一重大科研成果的《科學》雜誌審稿人評價:這是“一個最先進的實驗”;美國麻省理工學院教授德克·英格倫認為,這是“一個劃時代的成果”。

2021年5月,中國科學技術大學團隊成功研製出當時國際上量子比特數目最多的62比特可編程超導量子計算原型機“祖衝之號”,並實現了可編程的二維量子行走。該成果為在超導量子系統上實現“量子優越性”,以及後續研究具有重大實用價值的量子計算奠定了技術基礎。

“九章二號”144模式干涉儀(部分)實驗照片。(圖源:中國科學技術大學)

“九章二號”144模式干涉儀(部分)實驗照片。(圖源:中國科學技術大學)

此後不到一年,“九章”和“祖衝之”雙雙升級。“九章二號”操控的光子數從76個增加到113個,多光子量子干涉線路增加到144維度,極大地提高了量子優勢:對於高斯玻色採樣問題,“九章”一分鐘完成的任務,超級電腦“富岳”需要花費一億年來解決;“九章二號”一毫秒可以解出的問題,“富岳”需要算30萬億年。

“祖衝之二號”操控的超導比特數從62比特上升至66比特,首次達到“量子計算優越性”里程碑。其處理量子隨機線路取樣問題的速度,比當時最快的超級電腦快1000萬倍,計算複雜度比谷歌公開報道的53比特超導量子計算原型機“懸鈴木”提高了100萬倍。這這一系列令人矚目的成果,使中國成為目前世界上唯一在光學和超導兩條技術路線都達到“量子計算優越性”里程碑的國家。


“九章三號”再現量子計算優越性

“九章三號”實驗裝置示意圖。(中國科學技術大學供圖)

“九章三號”實驗裝置示意圖。(中國科學技術大學供圖)

此次“九章三號”的成功構建,是在前兩代“九章”的基礎上的又一次技術躍遷。中國科學技術大學團隊在理論上首次發展了包含光子全同性的新理論模型,實現了更精確的理論與實驗吻合;發展了完備的貝葉斯驗證和關聯函數驗證,全面排除了所有已知的經典倣冒演算法,提供了進一步數據支撐。在技術上,研製了基於光纖時間延遲環的超導奈米線探測器,把多光子態分束到不同空間模式並通過延時把空間轉化為時間,實現了準光子數可分辨的探測系統。一系列創新使團隊首次實現了對255個光子的操縱能力,提升了光量子計算的複雜度。

在構建“九章”系列光量子計算原型機的基礎上,研究團隊還揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數學聯繫,完成了對稠密子圖等兩類具有實用價值的圖論問題的求解,相比經典電腦精確模擬的速度快1.8億倍。此外,還在國際上首次演示了無條件的多光子量子精密測量優勢。

“九章”量子電腦光量子干涉實物圖。(圖源:中國科學技術大學)

“九章”量子電腦光量子干涉實物圖。(圖源:中國科學技術大學)

據介紹,“九章三號”裝置一共分為四大塊:第一塊是受激量子光源;第二塊是超低損耗的量子光路,讓多個光子之間發生“干涉”變成量子糾纏態;第三塊是“九章三號”新加入的也是升級最明顯的地方,叫“時空解復用的光纖環”,為的是讓光子分離開,好讓第四部分——超導奈米線單光子探測器能夠數清楚光子具體數量,進而大幅度提高光子的操縱數量和品質。

中國科學技術大學陸朝陽教授表示,“九章三號”的成功構建主要有四方面的意義:首先是使得40年前費曼等人的夢想成為現實;第二是在“九章”發展過程中,發展出可擴展的量子調控技術,為具備容錯能力的通用量子電腦的研製提供技術基礎;第三是在激烈的國際競爭角逐中,“九章三號”的實現進一步鞏固了我國在光量子計算領域的國際領先地位;最後是打開了在圖論等實際問題方面的應用。


距離通用量子電腦還有多遠?

2023年5月31日,中國176比特“祖衝之號”量子計算雲平臺正式上線,面向全球用戶開放。(圖源:新華社)

2023年5月31日,中國176比特“祖衝之號”量子計算雲平臺正式上線,面向全球用戶開放。(圖源:新華社)

量子計算是一門艱深的學科,目前所做的研究不過是剛剛敲開量子科技的大門,距離最終研製成功通用量子電腦還有很長的路要走。量子電腦的計算能力隨量子比特數目呈指數增長,因此量子計算研究的核心任務是多量子比特的相干操縱。根據相干操縱量子比特的規模,國際學術界公認有三個指標性的發展階段:

第一階段是實現“量子計算優越性”,即量子電腦對特定問題的計算能力超越經典超級電腦,達到這一目標需要約50個量子比特的相干操縱。中國分別於2020年在光量子體系、2021年在超導線路體系實現了“量子計算優越性”。

第二階段是實現專用量子模擬機,即相干操縱數百個量子比特,用於解決若干超級電腦無法勝任的實用問題,例如量子化學、新材料設計、優化演算法等。達到該階段需要5至10年,是當前的主要研究任務。

第三階段是實現可編程通用量子電腦,即相干操縱至少數百萬個量子比特,能在經典密碼破解、大數據搜索、人工智慧等方面發揮巨大作用。由於技術上的難度,何時實現通用量子電腦尚不明確,國際學術界一般認為還需要15年甚至更長時間。

2022年9月4日,一家參展企業代表在國家網路安全宣傳周網路安全博覽會上介紹量子加密對講。(圖源:新華社)

2022年9月4日,一家參展企業代表在國家網路安全宣傳周網路安全博覽會上介紹量子加密對講。(圖源:新華社)

值得關注的是,隨著量子科技的不斷突破,基於量子計算、量子通信和量子測量等量子資訊技術形成的戰略性新興産業呈現出較好的發展勢頭。這項看似“高冷”的前沿科技,已悄然應用於不少領域。交易優化、天氣預報等領域,都可能出現量子科技的更多身影。

量子計算作為一種進行高速運算、儲存、處理資訊的新型計算技術,將給現有經典電腦的計算能力帶來質的飛躍。中國科學院量子資訊重點實驗室副主任、合肥本源量子計算科技有限責任公司創始人兼首席科學家郭國平表示,量子計算當前主要用於科學研究,也在探索商業化應用,其核心硬體為量子電腦整機。

啟科量子首席科學家羅樂舉例,量子計算在人工智慧、生物醫藥、金融等領域都大有可為。例如,利用量子計算,能在人工智慧領域加速數據處理和演算法運作;利用量子計算還可以進行小分子模擬,這是生物醫藥領域進行藥物開發的核心環節。

放眼全球,量子産業發展整體處於從基礎科研與實驗探索向産品研發與推廣應用過渡階段,市場處於培育期向快速成長期過渡階段。專家認為,我國量子産業已顯示出産業賽道較全、科研實力較強等特點,也有基礎設施體量較大、基建能力較強等優勢。面對愈發激烈的國際競爭,中國量子産業有望加速實現新突破。


(資料來源:中國科學院、新華社、人民日報、學習時報、科技日報)


責任編輯:姚思寒
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