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神奇！一分鐘跨越一億年，中國稱霸量子科技未來！

點(diǎn)擊：  作者：金橋智庫    來源：鼎新瞭望  發(fā)布時間:2020-12-07 09:43:28

 

2020真的是魔幻，永遠(yuǎn)猜不到明天會發(fā)生什么！這就是百年變局，這就是中國的大時代！嫦娥5號還沒到家，九章又橫空出世了！

 

在科研領(lǐng)域，我們這一代人聽得太多了中國這個領(lǐng)域落后美國多少年，那個領(lǐng)域落后美國多少年的老生常談。然而，近日中科院潘建偉團(tuán)隊(duì)卻帶給了我們一個巨大的驚喜，中國第一個實(shí)現(xiàn)了無爭議的量子計算“優(yōu)越性”。而且這個優(yōu)越性大到可怕的地步，它運(yùn)行一分鐘可以頂世界上最快的超級計算機(jī)富岳號一億多年，200秒頂6億年！

 

 

潘建偉團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“九章”量子原型機(jī)

 

12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)，與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機(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。該研究成果發(fā)表在了國際最權(quán)威的自然科學(xué)雜志《科學(xué)》上面。

 

一、什么是“量子優(yōu)越性”

 

所謂量子“優(yōu)越性”（國外也稱量子霸權(quán)），即是指在特定任務(wù)上，量子計算機(jī)可以大大超越經(jīng)典計算機(jī)的計算能力了。這個就是發(fā)展量子量子計算機(jī)的門檻，只有當(dāng)量子優(yōu)越性得到體現(xiàn)時，它才有實(shí)用價值。

 

 

在此之前，谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)也曾宣稱取得了“量子優(yōu)越性”，并稱谷歌將稱霸量子科技領(lǐng)域。2019年10月23日，權(quán)威雜志《自然》刊出了谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)的最新科研工作，在持續(xù)重金投入研發(fā)量子計算13年后，成功地用實(shí)驗(yàn)證明“量子優(yōu)越性”。

 

該論文報道了谷歌團(tuán)隊(duì)基于一個包含53個可用量子比特的可編程超導(dǎo)量子處理器，運(yùn)行隨機(jī)量子線路進(jìn)行采樣，耗時約200秒可進(jìn)行100萬次采樣，并且估計如果使用當(dāng)時最強(qiáng)超算Summit來計算得到同樣的結(jié)果，需耗費(fèi)約1萬年。據(jù)此，谷歌宣稱實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，然而這是有爭議的，如今又被中國科學(xué)家打破了。

 

迄今為止人類的計算工具大約經(jīng)歷了三個階段，第一個階段是算籌階段，用算籌（用草竹子或樹枝等制作的計算輔助工具）來運(yùn)算；第二個階級就是珠算，中國古代發(fā)明了算盤，大大加速了中國人（人類）的計算和心算能力；第三個階段就是電子計算機(jī)，也就是我們現(xiàn)在所用的電腦、手機(jī)、計算器等等，又比算盤先進(jìn)快捷了無數(shù)倍。

 

 

算盤是老祖宗的獨(dú)創(chuàng)發(fā)明制霸人類計算領(lǐng)域數(shù)千年，日本近代實(shí)業(yè)之父澀澤榮一曾把日本的現(xiàn)代化成功歸因于《論語》加算盤。

 

但是這第三個階段隨著摩爾定律走到了極限，已經(jīng)難以為繼了。量子計算才是人類的未來，也就是人類科學(xué)計算的第四個階段。以往的量子計算的優(yōu)越性只停留在理論上，而今潘建偉團(tuán)隊(duì)將它變成了現(xiàn)實(shí)，用76個光子的量子計算機(jī)原型機(jī)“九章”（這個命名旨在紀(jì)念中國古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》）求解數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣只需要200秒，而目前世界上最快的超級計算機(jī)富岳號則要用6億年！

 

為什么說谷歌的“量子優(yōu)越性”是有爭議的呢？因?yàn)?ldquo;量子優(yōu)越性”實(shí)際上代表了兩個方面的競爭，一方面量子芯片的比特數(shù)和性能不斷擴(kuò)張，在某些問題上展現(xiàn)出極強(qiáng)的計算能力；另一方面，經(jīng)典算法和模擬的工程化實(shí)現(xiàn)也可以不斷優(yōu)化，提升經(jīng)典算法的效率和計算能力。所以，如果能夠提升經(jīng)典模擬的能力，那么谷歌的量子設(shè)備有可能就無法打敗最強(qiáng)超算，從而“稱霸”失敗。所以谷歌“裝逼”就失敗了，包括IBM公司和許多科學(xué)家都不承認(rèn)谷歌所謂“量子優(yōu)越性”。

 

第一個站出來對谷歌表示不服的正是計算機(jī)領(lǐng)域的大佬IBM。我們IBM是世界計算機(jī)領(lǐng)域的巨無霸，曾經(jīng)長期壟斷超級計算機(jī)技術(shù)很多年。IBM犀利指出谷歌對隨機(jī)量子線路的經(jīng)典模擬優(yōu)化做得并不好，如果采用內(nèi)存和硬盤混合存儲方案，模擬53比特、20深度的量子隨機(jī)線路采樣，僅需2.5天。IBM還宣稱這只是他們保守的估計。

 

加拿大卡爾加里大學(xué)教授、量子科學(xué)和技術(shù)研究所所長Barry Sanders 也認(rèn)為，谷歌去年取得的“量子計算優(yōu)越性”是有爭議的。谷歌的結(jié)果是，他們擁有一臺量子計算機(jī)，其性能比其他任何經(jīng)典計算機(jī)都要好。然后，IBM對此提出相反的論點(diǎn)：他們并未完全實(shí)現(xiàn)。質(zhì)疑其是否真正的達(dá)到了量子計算優(yōu)越性。

 

然而，面對潘建偉團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“九章”所證明的“量子計算優(yōu)越性”，Barry Sanders則毫不吝嗇地稱贊：“我認(rèn)為這是量子計算領(lǐng)域最重要的成果之一。這個實(shí)驗(yàn)不存在爭論，毫無疑問，該實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)器的模擬能力，實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)器的模擬能力。這個實(shí)驗(yàn)技術(shù)挑戰(zhàn)非常巨大。為了獲得此結(jié)果，他們必須解決許多非常困難的技術(shù)問題。僅僅在技術(shù)層面上，他們所取得的成就也令人印象深刻。這是人們夢寐以求的實(shí)驗(yàn)，他們做成了，讓夢想走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。”

 

 

也就是說，潘建偉團(tuán)隊(duì)以無可爭議的實(shí)力擊敗了谷歌，在人類歷史上第一次驗(yàn)證了量子優(yōu)越性，標(biāo)志著量子計算的一個里程碑式的貢獻(xiàn)。具體來說，“九章”量子原型機(jī)要比谷歌的“懸鈴木”量子原型機(jī)快一百億倍，比當(dāng)前最快的超級計算機(jī)“富岳號”要快一百萬億倍！真的不知道用什么來形容這種神奇的速度，要知道當(dāng)初電子計算機(jī)的原型機(jī)剛出來的時候，并不比算盤快多少，不斷改進(jìn)以后才遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越算盤的。

 

二、量子計算機(jī)為什么這么快？

 

從前面所說的計算工具發(fā)展的幾個階段，算盤比算籌快，電腦比算盤快，這些我們都很好理解，但是量子計算機(jī)為什么比電子計算機(jī)快呢？而且還能快那么多呢？

 

這個就是要從量子說起了，量子是物理學(xué)中最小的物質(zhì)和能量單位，它具有波粒二象性，也就是說它既可以是能量狀態(tài)，又可以是物質(zhì)粒子的狀態(tài)，它有很多神奇而不可思議的現(xiàn)象，比如說量子糾纏，我們現(xiàn)在的科學(xué)還不能很好的解釋，又比如測不準(zhǔn)原理，都是很魔幻而神奇的。

 

 

神奇的量子糾纏可能意味著遠(yuǎn)超光速的量子通信

 

量子計算機(jī)之所以比電子計算機(jī)快的地方，就在于它可以并行運(yùn)算。“并行運(yùn)算”這個詞理解起來很復(fù)雜，簡單地說，就是在電子計算機(jī)里面，在計算機(jī)算法中可以電子可以是二進(jìn)制中的0或1，但是卻不能同時既是0又是1。也就是說電子計算只能是單行的，因?yàn)殡娮铀皇莻€粒子。

 

而量子計算機(jī)它就不同了，它既是粒子，又是能量，它在計算的時候既可以是二進(jìn)制中的0，又可以是1！這樣一來，量子計算機(jī)就可以同時運(yùn)行更多的任務(wù)，從而使運(yùn)算的速度呈現(xiàn)指數(shù)級的提升。就好比雕版印刷與活字印刷一樣，雕版是固定的，刻板很費(fèi)時間；但是活字印刷就不同了，只需要重新排序就成了。

 

 

電子計算機(jī)與量子計算機(jī)

 

從哲學(xué)上來講，電子計算機(jī)運(yùn)算遵循的是形式邏輯的語言，而量子計算機(jī)運(yùn)算遵循的辯證邏輯的語言。形式邏輯規(guī)定了A電子是0，它就不能是1；而在辯證邏輯里面，則允許A量子同時既是0又是1，這速度就大大加速了。所以量子計算機(jī)也同時印證了辯證邏輯是比形式邏輯更高級的邏輯，哲學(xué)是比科學(xué)更高級的科學(xué)，馬克思誠不欺我也（學(xué)過馬原的童鞋應(yīng)該懂得）。

 

或者我們換一個比方，在電子計算機(jī)里面，每一個電子它都是單項(xiàng)專業(yè)選手，而在量子計算機(jī)里面，每一個量子它都是全能冠軍選手。如果把一臺計算機(jī)比喻成公司，電子或量子比喻成員工，那么別人的公司是單項(xiàng)專業(yè)人才，而你的公司卻是全能型的冠軍人才，那你肯定分分鐘要吊打別人的公司，對不對？就是這么個道理。

 

 

上圖就是九章量子計算機(jī)原型機(jī)的光路系統(tǒng)原理圖。根據(jù)現(xiàn)有理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該量子計算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機(jī)快一百萬億倍，也就是說“九章”一分鐘完成的任務(wù)，全球最快的富岳號超級計算機(jī)需要一億多年。同樣地，其速度比去年谷歌發(fā)布的 53 個超導(dǎo)比特量子計算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。

 

 

上圖為九章量子計算機(jī)原型機(jī)工作原理。據(jù)潘建偉團(tuán)隊(duì)介紹，相比谷歌“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)性強(qiáng)。“懸鈴木”需要零下273.12攝氏度的運(yùn)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(yùn)行。三是彌補(bǔ)了技術(shù)漏洞。“懸鈴木”只有在小樣本的情況下快于超算，“九章”在小樣本和大樣本上均快于超算。

 

 

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)表示，這一成果使得我國成功達(dá)到了量子計算研究的第一個里程碑：量子計算優(yōu)越性相關(guān)論文于 12 月 4 日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

 

我們都知道，未來的世界是算力的世界，而量子計算機(jī)則是未來世界 的核心技術(shù)，第四次工業(yè)革命的王冠。在這個重要的領(lǐng)域，中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)一直在光量子信息處理方面處于國際領(lǐng)先水平：

 

2017年，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)（ENIAC）的光量子計算原型機(jī)；2019年，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，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個量子比特的希爾伯特態(tài)空間，逼近了“量子計算優(yōu)越性”。

 

這一次“九章”的問世，更是自己的一小步，人類的一大步，量子計算開始從夢想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。如果中國率先掌握了量子計算機(jī)的運(yùn)用技術(shù)，中國就能在第四次工業(yè)革命中獲利壓倒性的優(yōu)勢，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了5G的偉大科技進(jìn)步！

 

三、量子計算機(jī)的運(yùn)用

 

量子計算機(jī)的運(yùn)用前景十廣闊，最終會像電腦取代算盤那樣取代我們現(xiàn)在所使用的電子計算機(jī)。當(dāng)然這種取代并不是簡單地在計算能力上的取代，它還會開拓許多前所未有的新的領(lǐng)域。這些領(lǐng)域可能窮盡我們現(xiàn)在的頭腦，甚至都想像不出來，就好像一百年前使用算盤的人根本就想不到今天還會有智能手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)一樣。

 

從目前來看，我們能想到的量子計算機(jī)領(lǐng)域，主要還集中在一些具有重大社會和經(jīng)濟(jì)價值的科學(xué)研究和社會應(yīng)用。例如借助于量子計算機(jī)超快的并行計算能力，使用特定的算法，我們可以在密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計、藥物分析等方面。

 

從量子計算的路線圖來看，第一目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，即代表量子計算裝置在特定測試案例上表現(xiàn)出超越所有電子計算機(jī)的計算能力，這個潘建偉團(tuán)隊(duì)的九章已經(jīng)幫助我們做到了，懸鈴木的一百億倍，富岳號的一百萬億倍，這就是它的戰(zhàn)績。同時，這也是它能成為一個里程碑的突破的原因。

 

第二個目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)量子模擬計算機(jī)，即使用經(jīng)典計算機(jī)來模擬某些量子算法，比如可編程等等，這個主要就是要實(shí)現(xiàn)量子計算機(jī)的小型化、標(biāo)準(zhǔn)化，把先進(jìn)的量子計算機(jī)計算與當(dāng)下的經(jīng)典電子計算機(jī)技術(shù)融合起來，變得更加實(shí)用，并大量運(yùn)用到商業(yè)領(lǐng)域，類似于電子計算機(jī)的大型機(jī)階段。

 

第三個目標(biāo)，就是實(shí)現(xiàn)通用量子計算機(jī)，也就是把量子計算機(jī)縮小到可以個人使用的地步，最終讓每個人都能用上量子計算機(jī)，從來大量提升全社會的科研和生產(chǎn)效率。這個過程熟悉計算機(jī)發(fā)展歷史的自然會懂得，應(yīng)該還需要15到20年的時間，也就是說我們這一代人能用上。

 

因此，在接受媒體采訪時，潘建偉就表現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)的下一個階段性目標(biāo)，就是在“九章”量子原型機(jī)的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)將通過提高量子比特的操縱精度等一系列技術(shù)攻關(guān)，力爭盡早研制出可編程的通用量子計算原型機(jī)。

 

量子科技有三個領(lǐng)域：量子計算、量子通信和量子檢測。如今，在潘建偉團(tuán)隊(duì)的率領(lǐng)下，中國科學(xué)家已經(jīng)在量子通信和量子計算領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先于世界。一旦中國率先進(jìn)入了量子時代，那么我們對于世界上其它國家就擁有了降維打擊的能力！

 

比如說我們可以破解敵人的密碼，讓敵人的導(dǎo)彈變得毫無用處，甚至我們可以遙控修改技術(shù)參數(shù)和命令指令，讓敵人的導(dǎo)彈打不到我們的目標(biāo)，反而攻擊他們自己的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)版的移花接木，乾坤大挪移，這樣的話，我們就永遠(yuǎn)立于不敗之地。

 

最近中國科技捷報頻傳，嫦娥5號探月圓滿成功，正載著從月球上挖來的月壤回家，其中一份將放在北京研究，另一份將送到毛主席的故鄉(xiāng)，以示緬懷。毛主席當(dāng)年曾說“可上九天攬月，可下五洋捉鱉”，而我國的奮斗者號也剛剛深潛到萬米深的馬里亞納海溝，并進(jìn)行了全程直播。

 

 

嫦娥3號登月挖土全過程

 

2020年，真是一個神奇的年份，我們不但實(shí)現(xiàn)了毛主席九天攬月，五洋捉鱉的夢想，同時我們還收獲了更大的驚喜，量子計算機(jī)“九章”算一個，還有我們的可控核聚變裝置實(shí)現(xiàn)持續(xù)放電算一個。在人類第四次工業(yè)革命 的征途上，我們已經(jīng)在許多領(lǐng)域走在了美國的前面。如果往后還有誰跟你說，中國這個落后多少年，那個落后多少年，你就回答一個字：“呸！”

 

堂堂正正地做個愛國者，是我們走到一起的根本原因。你、我、他，我們能夠聚集在一起，傳播正能量，我們自豪，我們驕傲！

 

來源：王誠說人生