里程碑式突破！“九章”量子計算原型機三大厲害之處
點擊： 作者：綜合 來源：昆侖策網【綜合】 發布時間:2020-12-05 20:26:02
12月4日，中國科學技術大學宣布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”，求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級計算機要用6億年。這一突破使我國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。
“量子優越性像個門檻，是指當新生的量子計算原型機，在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機，就證明其未來有多方超越的可能。”中科大教授陸朝陽說，多年來國際學界高度關注、期待這個里程碑式轉折點到來。
去年9月，美國谷歌公司推出53個量子比特的計算機“懸鈴木”，對一個數學算法的計算只需200秒，而當時世界最快的超級計算機“頂峰”需2天，實現了“量子優越性”。
“九章”量子計算機三大厲害之處
《九章算術》是中國古代張蒼、耿壽昌所撰寫的一部數學專著。是《算經十書》中最重要的一部，著成于公元一世紀左右。
《九章算術》內容十分豐富，本書總結了戰國、秦、漢時期的數學成就。《九章算術》在數學上擁有極為獨到的成就，不僅最早提到分數問題，也首先記錄了盈不足等問題。
《方程》章還在世界數學史上首次闡述了負數及其加減運算法則。因此，它是一本綜合性的歷史著作，是當時世界上最簡練有效的應用數學，它的出現標志中國古代數學形成了完整的體系。
《九章算術》是世界上最早系統敘述了分數運算的著作;其中盈不足的算法更是一項令人驚奇的創造;"方程"章還在世界數學史上首次闡述了負數及其加減運算法則。在代數方面，《九章算術》在世界數學史上最早提出負數概念及正負數加減法法則。
關于”九章“量子計算機，潘建偉介紹，將實現量子計算優越性的這臺量子原型機命名為“九章”，是為了紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》?？梢?，所謂”九章“，就是紀念《九章算數》的量子計算機。
厲害之處之一：“九章”創造了全球最快的取樣速度。這個量子計算系統處理高斯玻色取樣的速度比目前全球最快的超級計算機快一百萬億倍！驚人之處在于“九章”量子計算機在一分鐘內計算（相當于工作量），超級計算機則需要工作一億年。
基于此，”九章”比世界排名第一的超級計算機“富岳”快一百萬億倍。
假如和谷歌的53個超導比特量子計算原型機相比，九章比它快一百億倍。因此，九章的是一個重要的科技成果，是我國量子計算研究的首個里程碑。
所謂”富岳“是日本的超級計算機。據日本共同社報道，日本理化學研究所曾經稱，日本計算機科學研究中心的超級計算機“富岳”在性能排名4個單元中繼2020年6月奪冠后再奪世界第一。超級計算機連續兩次奪得“4項冠軍”尚屬首次。
富岳的計算速度達到每秒44.201億億次，曾經是排名第二的美國“頂點”（達到14.86億億次）的3倍。
量子計算優越性，也被稱為“量子霸權”。量子計算機的工作原理具有超快的并行計算能力，它往往通過特定算法，在一些具有重大社會和經濟價值的問題方面起到非常重要作用，比如密碼破譯、大數據優化、材料設計、藥物分析等，因此，相比經典計算機而言，它能夠實現指數級別的加速。
如果經典計算機是普通的跑者，那么九章量子計算機相當于跑中之王，世界紀錄創作者。
量子計算機的研制，成為全球科技尖端技術的最大挑戰之一，更成為世界各國及歐美發達國家角逐的目標。
厲害之處之二：“九章”存儲容量突破“世界紀錄”。“九章”克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優越性依賴于樣本數量的漏洞。值得一提的是，“九章”輸出量子態空間規模竟然達到了1030！相比“懸鈴木”，其輸出量子態空間規模是1016，而全球目前的存儲容量則是1022。
因此，這一個重大成果讓中國世界量子計算研究中，牢牢處于的第一集團地位。還有，依賴于“九章號”量子計算原型機的高斯玻色取樣算法在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用，是未來重要發展目標。
厲害之處之三：逼近了“量子計算優越性”。中國在光量子信息處理方面一直處于全球領先水平。
1）2017年，該團隊構建了世界首臺超越早期經典計算機(ENIAC)的光量子計算原型機。
2）2019年，團隊再研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，并實現了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出復雜度相當于48個量子比特的希爾伯特態空間，逼近了“量子計算優越性”。
量子計算機的研究公認的三個重要的標志性階段：
第一階段：高效求解。發展具備50-100個量子比特的高精度專用量子計算機，對于一些超級計算機無法解決的高復雜度特定問題實現高效求解，實現計算科學中“量子計算優越性”的里程碑。
第二階段：研制量子模擬機。通過對規?；囿w量子體系的精確制備、操控與探測，研制可相干操縱數百個量子比特的量子模擬機，用于解決若干超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題(如量子化學、新材料設計、優化算法等)。
第三階段：研制可編程量子原型機。通過積累在專用量子計算與模擬機的研制過程中發展起來的各種技術，提高量子比特的操縱精度使之達到能超越量子計算苛刻的容錯閾值(>99.9%)，大幅度提高可集成的量子比特數目(百萬量級)，實現容錯量子邏輯門，研制可編程的通用量子計算原型機。
中國的量子之父—潘建偉及團隊
潘建偉，浙江省東陽市人。中國科學技術大學教授、博士生導師，中國科學院院士。九三學社第十二屆中央委員會委員。
現任中國科學技術大學常務副校長，為第五屆中國青年科技工作者協會會長。中科院量子科學實驗衛星先導專項首席科學家。中國科學技術大學量子隱形傳態研究項目組主持人。
2017年獲得2016年感動中國人物稱號。2017年9月9日獲得第二屆未來科學大獎獲“物質科學獎”。2017年12月19日，潘建偉入選《自然》2017十大科學人物、獲稱“量子之父”。
值得一提的是，在第四屆世界互聯網大會上，在世界互聯網領先科技成果發布活動上，中國科大潘建偉團隊構建的光量子計算機原型機成功入選18項世界互聯網領先科技成果。
會議發布稱，光量子計算機原型機在“玻色取樣”速度方面比國際同行加快至少24000倍，和經典算法比較，也比人類第一臺電子管計算機和第一臺晶體管計算機運行速度快10倍至100倍，是歷史上第一臺超越早期經典計算機的基于單光子的量子模擬機。
量子計算機具有極為重要的應用，它可以用來解決密碼破譯、大數據分析等問題。實現超越經典計算能力的量子計算被國際學術界稱為“量子稱霸”。
當時由44名海內外知名專家組成的推薦委員會投票選出18項成果。除光量子計算機原型機外，其余17項成果包括華為3GPP 5G預商用系統、ARM安全架構、微軟人工智能小冰、北斗衛星導航系統、高通5G芯片組實現的全球首個5G數據鏈接、還有基于“神威·太湖之光”超級計算機系統的重大應用成果：比如特斯拉垂直整合能源解決方案、滴滴基于大數據的新一代移動出行平臺、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、Watson健康助力“健康中國”、下一代互聯網關鍵技術IPV6、機器觸覺。
潘建偉的科學成就
潘建偉是國際上量子信息實驗研究領域開拓者之一，他是該領域有重要國際影響力的科學家，并取得了一系列有重要意義的研究成果。
比如首次實驗實現量子隱形傳態及糾纏交換、終端開放的量子隱形傳態、復合系統量子隱形傳態、16公里自由空間量子隱形傳態。
再比如首次實現三、四、五、六、八光子糾纏。首次實驗驗證GHZ定理。
1）提出利用現有技術可實現的量子糾纏純化方案，并完成實驗實現。實現突破大氣等效厚度的量子糾纏和量子密鑰分發。先后實現絕對安全距離超過100公里和200公里的量子密鑰分發及全通型量子通信網絡。
2）提出基于冷原子量子存儲的高效量子中繼器方案，并完成實驗實現。利用冷原子系統實現高品質的單光子和糾纏光子的量子存儲。利用多光子糾纏實現重要的量子算法和突破經典極限的高精度測量。實現任意子分數統計的量子模擬。
潘建偉的有關實現量子隱形傳態的研究成果入選《科學》雜志"年度十大科技進展"，并同倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對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21篇經典論文"。
潘建偉的研究成果曾6次入選兩院院士評選的"中國年度十大科技進展新聞" 、3次入選教育部評選的"年度中國高校十大科技進展"、3次入選科技部評選的"年度中國基礎研究十大新聞"、5次入選歐洲物理學會評選的"年度物理學重大進展"、4次入選美國物理學會評選的"年度物理學重大事件"。
由于潘建偉及其同事在量子信息實驗領域的系統性工作，他被重要綜述雜志Phys. Rep.和Rev. Mod. Phys.邀請撰寫有關量子通信和多光子糾纏操縱的實驗綜述論文，后者是中國大陸科學家在該刊發表的第一篇實驗綜述論文。
他曾獲求是杰出科學家獎、中國青年科學家獎、中國科學院杰出科技成就獎、奧地利科學院Erich Schmid獎、歐洲物理學會菲涅爾獎等獎勵，2013年何梁何利最高獎"科學與技術成就獎"。
重要評價
九三學社：潘建偉在量子通信、量子計算以及多光子糾纏操縱等量子信息實驗領域中做出的杰出貢獻。
英國《新科學家》評價：英國著名的科學新聞雜志《新科學家》以封面標題的形式，對潘建偉科大團隊進行這樣的評價：“中國科大-因而也是整個中國-已經牢牢地在量子計算的世界地圖上占據了一席之地。
歐洲量子通信泰斗、日內瓦大學教授、瑞士IDQuantique公司創始人尼古拉斯·吉森對第一財經記者表示：“中國在量子通信方面的技術非常領先，但是在量子計算機和量子芯片等領域還有進一步提升的空間。”
英特爾量子硬件部門總監Jim Clarke曾經表示：“量子可能是未來100年最重要的計算機技術，就好像宇宙空間科學一樣，它的研究可能要通過一代人的努力才能進步一點點。”
”九章“功臣現身說法
中國科學技術大學教授陸朝陽說：”九章“采取了由76個光子輸出，然后在100×100的這樣一個目前世界上最大尺度的這樣一個干涉儀里面進行干涉，那么干涉的過程其實也是我們計完成計算的這樣一個過程。
九章量子計算機是利用量子力學的原理，量子力學它可以允許一個物體同時處于多種狀態，那么比如說0和1同時存在，它可以做一個原理上叫做并行計算，就是很多個任務可以一起完成，因此它就有了這樣一種超越經典計算機的計算能力。
中國科學院院士潘建偉說：在我們的量子計算里面，第一個里程碑性的目標就是要來展示量子計算的優越性。我們在高斯波色采樣實驗當中構建了一個量子計算的原型機，可以比目前最快的超算能夠快10的14次方倍，就相當于我這里算一分鐘的東西，用“富岳號”拿來算的話，要算一億年它才能把這個事情給算完，這就是叫做量子優越性。
就是我總算可以演示某個功能比傳統的超級計算機算得好了，這樣的話我們就可以進一步地去尋找各種各樣的應用。
美國麻省理工學院教授德克英格倫評價說：我認為這是一個了不起的成就，這是開發這些中型量子計算機的一個里程碑。
奧地利科學院院長及美國科學院院士安東蔡林格評價說：這項工作成果很重要，證明了基于光子的量子計算機也可能實現量子計算優越性。我相信有朝一日量子計算機會被廣泛使用，甚至每個人都可以使用。
（來源：“中國科學技術大學”微信公號、新華社、“人民日報”微信公號、www.toutiao.com；圖片來自網絡，侵刪）
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