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“九章”量子計(jì)算機(jī)三大厲害之處

點(diǎn)擊：  作者：盤古論市    來源：今日頭條  發(fā)布時(shí)間:2020-12-05 10:46:03

 

 ”九章“量子計(jì)算機(jī)三大厲害之處

 

據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)12月4日消息，該校潘建偉、陸朝陽(yáng)等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。

 

 

什么是”九章“量子計(jì)算機(jī)？

 

《九章算術(shù)》是中國(guó)古代張蒼、耿壽昌所撰寫的一部數(shù)學(xué)專著。是《算經(jīng)十書》中最重要的一部，著成于公元一世紀(jì)左右。

 

《九章算術(shù)》內(nèi)容十分豐富，本書總結(jié)了戰(zhàn)國(guó)、秦、漢時(shí)期的數(shù)學(xué)成就。《九章算術(shù)》在數(shù)學(xué)上擁有極為獨(dú)到的成就，不僅最早提到分?jǐn)?shù)問題，也首先記錄了盈不足等問題。《方程》章還在世界數(shù)學(xué)史上首次闡述了負(fù)數(shù)及其加減運(yùn)算法則。因此，它是一本綜合性的歷史著作，是當(dāng)時(shí)世界上最簡(jiǎn)練有效的應(yīng)用數(shù)學(xué)，它的出現(xiàn)標(biāo)志中國(guó)古代數(shù)學(xué)形成了完整的體系。

 

《九章算術(shù)》是世界上最早系統(tǒng)敘述了分?jǐn)?shù)運(yùn)算的著作;其中盈不足的算法更是一項(xiàng)令人驚奇的創(chuàng)造;"方程"章還在世界數(shù)學(xué)史上首次闡述了負(fù)數(shù)及其加減運(yùn)算法則。在代數(shù)方面，《九章算術(shù)》在世界數(shù)學(xué)史上最早提出負(fù)數(shù)概念及正負(fù)數(shù)加減法法則。

 

 

關(guān)于”九章“量子計(jì)算機(jī)，潘建偉介紹，將實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的這臺(tái)量子原型機(jī)命名為“九章”，是為了紀(jì)念中國(guó)古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。可見，所謂”九章“，就是紀(jì)念《九章算數(shù)》的量子計(jì)算機(jī)。

 

厲害之處之一：“九章”創(chuàng)造了全球最快的取樣速度。這個(gè)量子計(jì)算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍！驚人之處在于“九章”量子計(jì)算機(jī)在一分鐘內(nèi)計(jì)算（相當(dāng)于工作量），超級(jí)計(jì)算機(jī)則需要工作一億年。

 

基于此，”九章”比世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬億倍。

 

假如和谷歌的53個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī)相比，九章比它快一百億倍。因此，九章的是一個(gè)重要的科技成果，是我國(guó)量子計(jì)算研究的首個(gè)里程碑。

 

所謂”富岳“是日本的超級(jí)計(jì)算機(jī)。據(jù)日本共同社報(bào)道，日本理化學(xué)研究所曾經(jīng)稱，日本計(jì)算機(jī)科學(xué)研究中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”在性能排名4個(gè)單元中繼2020年6月奪冠后再奪世界第一。超級(jí)計(jì)算機(jī)連續(xù)兩次奪得“4項(xiàng)冠軍”尚屬首次。

 

 

富岳的計(jì)算速度達(dá)到每秒44.201億億次，曾經(jīng)是排名第二的美國(guó)“頂點(diǎn)”（達(dá)到14.86億億次）的3倍。

 

量子計(jì)算優(yōu)越性，也被稱為“量子霸權(quán)”。量子計(jì)算機(jī)的工作原理具有超快的并行計(jì)算能力，它往往通過特定算法，在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面起到非常重要作用，比如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等，因此，相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)而言，它能夠?qū)崿F(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。如果經(jīng)典計(jì)算機(jī)是普通的跑者，那么九章量子計(jì)算機(jī)相當(dāng)于跑中之王，世界紀(jì)錄創(chuàng)作者。

 

量子計(jì)算機(jī)的研制，成為全球科技尖端技術(shù)的最大挑戰(zhàn)之一，更成為世界各國(guó)及歐美發(fā)達(dá)國(guó)家角逐的目標(biāo)。

 

 

厲害之處之二： “九章”存儲(chǔ)容量突破“世界紀(jì)錄”。“九章”克服了谷歌53比特隨機(jī)線路取樣實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。值得一提的是，“九章”輸出量子態(tài)空間規(guī)模竟然達(dá)到了1030！相比“懸鈴木”，其輸出量子態(tài)空間規(guī)模是1016，而全球目前的存儲(chǔ)容量則是1022。

 

因此，這一個(gè)重大成果讓中國(guó)世界量子計(jì)算研究中，牢牢處于的第一集團(tuán)地位。還有，依賴于“九章號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)的高斯玻色取樣算法在圖論、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，是未來重要發(fā)展目標(biāo)。

 

厲害之處之三：逼近了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。中國(guó)在光量子信息處理方面一直處于全球領(lǐng)先水平。1）2017年，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)(ENIAC)的光量子計(jì)算原型機(jī)。2）2019年，團(tuán)隊(duì)再研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國(guó)際最高性能單光子源，并實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特的希爾伯特態(tài)空間，逼近了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

 

量子計(jì)算機(jī)的研究公認(rèn)的三個(gè)重要的標(biāo)志性階段：

 

第一階段：高效求解。發(fā)展具備50-100個(gè)量子比特的高精度專用量子計(jì)算機(jī)，對(duì)于一些超級(jí)計(jì)算機(jī)無法解決的高復(fù)雜度特定問題實(shí)現(xiàn)高效求解，實(shí)現(xiàn)計(jì)算科學(xué)中“量子計(jì)算優(yōu)越性”的里程碑。

 

 

第二階段：研制量子模擬機(jī)。通過對(duì)規(guī)模化多體量子體系的精確制備、操控與探測(cè)，研制可相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，用于解決若干超級(jí)計(jì)算機(jī)無法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問題(如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等)。

 

三、研制可編程量子原型機(jī)。通過積累在專用量子計(jì)算與模擬機(jī)的研制過程中發(fā)展起來的各種技術(shù)，提高量子比特的操縱精度使之達(dá)到能超越量子計(jì)算苛刻的容錯(cuò)閾值(>99.9%)，大幅度提高可集成的量子比特?cái)?shù)目(百萬量級(jí))，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子邏輯門，研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。

 

中國(guó)的量子之父—潘建偉及團(tuán)隊(duì)

 

潘建偉，浙江省東陽(yáng)市人。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院院士。九三學(xué)社第十二屆中央委員會(huì)委員。

 

現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)，為第五屆中國(guó)青年科技工作者協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)。中科院量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星先導(dǎo)專項(xiàng)首席科學(xué)家。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子隱形傳態(tài)研究項(xiàng)目組主持人。

 

 

2017年獲得2016年感動(dòng)中國(guó)人物稱號(hào)。2017年9月9日獲得第二屆未來科學(xué)大獎(jiǎng)獲“物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)”。2017年12月19日，潘建偉入選《自然》2017十大科學(xué)人物、獲稱“量子之父”

 

值得一提的是，在第四屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上，在世界互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)先科技成果發(fā)布活動(dòng)上，中國(guó)科大潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的光量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)成功入選18項(xiàng)世界互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)先科技成果。

 

會(huì)議發(fā)布稱，光量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)在“玻色取樣”速度方面比國(guó)際同行加快至少24000倍，和經(jīng)典算法比較，也比人類第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度快10倍至100倍，是歷史上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)。

 

量子計(jì)算機(jī)具有極為重要的應(yīng)用，它可以用來解決密碼破譯、大數(shù)據(jù)分析等問題。實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算能力的量子計(jì)算被國(guó)際學(xué)術(shù)界稱為“量子稱霸”。

 

 

當(dāng)時(shí)由44名海內(nèi)外知名專家組成的推薦委員會(huì)投票選出18項(xiàng)成果。除光量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)外，其余17項(xiàng)成果包括華為3GPP 5G預(yù)商用系統(tǒng)、ARM安全架構(gòu)、微軟人工智能小冰、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、高通5G芯片組實(shí)現(xiàn)的全球首個(gè)5G數(shù)據(jù)鏈接、還有基于“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重大應(yīng)用成果：

 

比如特斯拉垂直整合能源解決方案、滴滴基于大數(shù)據(jù)的新一代移動(dòng)出行平臺(tái)、摩拜無樁智能共享單車、阿里巴巴ET大腦、百度DuerOS、亞馬遜AWS GreenGrass、蘋果AR、騰訊人工智能開放平臺(tái)、Watson健康助力“健康中國(guó)”、下一代互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)IPV6、機(jī)器觸覺。

 

潘建偉的科學(xué)成就

 

潘建偉是國(guó)際上量子信息實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域開拓者之一，他是該領(lǐng)域有重要國(guó)際影響力的科學(xué)家，并取得了一系列有重要意義的研究成果。

 

 

比如首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)及糾纏交換、終端開放的量子隱形傳態(tài)、復(fù)合系統(tǒng)量子隱形傳態(tài)、16公里自由空間量子隱形傳態(tài)。

 

再比如首次實(shí)現(xiàn)三、四、五、六、八光子糾纏。首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證GHZ定理。

 

1）提出利用現(xiàn)有技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的量子糾纏純化方案，并完成實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)突破大氣等效厚度的量子糾纏和量子密鑰分發(fā)。先后實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全距離超過100公里和200公里的量子密鑰分發(fā)及全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)。

 

2）提出基于冷原子量子存儲(chǔ)的高效量子中繼器方案，并完成實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。利用冷原子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的單光子和糾纏光子的量子存儲(chǔ)。利用多光子糾纏實(shí)現(xiàn)重要的量子算法和突破經(jīng)典極限的高精度測(cè)量。實(shí)現(xiàn)任意子分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)的量子模擬。

 

潘建偉的有關(guān)實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的研究成果入選《科學(xué)》雜志"年度十大科技進(jìn)展"，并同倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對(duì)論等影響世界的重大研究成果一起被《自然》雜志選為"百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文"。

 

 

潘建偉的研究成果曾6次入選兩院院士評(píng)選的"中國(guó)年度十大科技進(jìn)展新聞" 、3次入選教育部評(píng)選的"年度中國(guó)高校十大科技進(jìn)展"、3次入選科技部評(píng)選的"年度中國(guó)基礎(chǔ)研究十大新聞"、5次入選歐洲物理學(xué)會(huì)評(píng)選的"年度物理學(xué)重大進(jìn)展"、4次入選美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的"年度物理學(xué)重大事件"。

 

由于潘建偉及其同事在量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的系統(tǒng)性工作，他被重要綜述雜志Phys. Rep.和Rev. Mod. Phys.邀請(qǐng)撰寫有關(guān)量子通信和多光子糾纏操縱的實(shí)驗(yàn)綜述論文，后者是中國(guó)大陸科學(xué)家在該刊發(fā)表的第一篇實(shí)驗(yàn)綜述論文。

 

他曾獲求是杰出科學(xué)家獎(jiǎng)、中國(guó)青年科學(xué)家獎(jiǎng)、中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)、奧地利科學(xué)院Erich Schmid獎(jiǎng)、歐洲物理學(xué)會(huì)菲涅爾獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)，2013年何梁何利最高獎(jiǎng)"科學(xué)與技術(shù)成就獎(jiǎng)"。

 

 

重要評(píng)價(jià)

 

九三學(xué)社： 潘建偉在量子通信、量子計(jì)算以及多光子糾纏操縱等量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中做出的杰出貢獻(xiàn)。

 

英國(guó)《新科學(xué)家》評(píng)價(jià)：英國(guó)著名的科學(xué)新聞雜志《新科學(xué)家》以封面標(biāo)題的形式，對(duì)潘建偉科大團(tuán)隊(duì)進(jìn)行這樣的評(píng)價(jià)：“中國(guó)科大-因而也是整個(gè)中國(guó)-已經(jīng)牢牢地在量子計(jì)算的世界地圖上占據(jù)了一席之地。

 

 

歐洲量子通信泰斗、日內(nèi)瓦大學(xué)教授、瑞士IDQuantique公司創(chuàng)始人尼古拉斯·吉森對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示：“中國(guó)在量子通信方面的技術(shù)非常領(lǐng)先，但是在量子計(jì)算機(jī)和量子芯片等領(lǐng)域還有進(jìn)一步提升的空間。”

 

英特爾量子硬件部門總監(jiān)Jim Clarke曾經(jīng)表示：“量子可能是未來100年最重要的計(jì)算機(jī)技術(shù)，就好像宇宙空間科學(xué)一樣，它的研究可能要通過一代人的努力才能進(jìn)步一點(diǎn)點(diǎn)。”

 

”九章“功臣現(xiàn)身說法

 

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽(yáng)說：”九章“采取了由76個(gè)光子輸出，然后在100×100的這樣一個(gè)目前世界上最大尺度的這樣一個(gè)干涉儀里面進(jìn)行干涉，那么干涉的過程其實(shí)也是我們計(jì)完成計(jì)算的這樣一個(gè)過程。

 

 

九章量子計(jì)算機(jī)是利用量子力學(xué)的原理，量子力學(xué)它可以允許一個(gè)物體同時(shí)處于多種狀態(tài)，那么比如說0和1同時(shí)存在，它可以做一個(gè)原理上叫做并行計(jì)算，就是很多個(gè)任務(wù)可以一起完成，因此它就有了這樣一種超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。

 

中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉說：在我們的量子計(jì)算里面，第一個(gè)里程碑性的目標(biāo)就是要來展示量子計(jì)算的優(yōu)越性。我們?cè)诟咚共ㄉ蓸訉?shí)驗(yàn)當(dāng)中構(gòu)建了一個(gè)量子計(jì)算的原型機(jī)，可以比目前最快的超算能夠快10的14次方倍，就相當(dāng)于我這里算一分鐘的東西，用“富岳號(hào)”拿來算的話，要算一億年它才能把這個(gè)事情給算完，這就是叫做量子優(yōu)越性。

 

就是我總算可以演示某個(gè)功能比傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)算得好了，這樣的話我們就可以進(jìn)一步地去尋找各種各樣的應(yīng)用。

 

美國(guó)麻省理工學(xué)院教授德克英格倫評(píng)價(jià)說：我認(rèn)為這是一個(gè)了不起的成就，這是開發(fā)這些中型量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)里程碑。

 

 

奧地利科學(xué)院院長(zhǎng)及美國(guó)科學(xué)院院士安東蔡林格評(píng)價(jià)說：這項(xiàng)工作成果很重要，證明了基于光子的量子計(jì)算機(jī)也可能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性。我相信有朝一日量子計(jì)算機(jī)會(huì)被廣泛使用，甚至每個(gè)人都可以使用。

 

作者：盤古論市  來源：今日頭條（版權(quán)歸原作者所有 侵刪）