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2周內(nèi)連發(fā)Nature、Science:比最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍!中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑

來(lái)源:中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院

北京時(shí)間11月19日

量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)里程碑突破

2周內(nèi)連發(fā)Nature、Science:比最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍!中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑
2周內(nèi)連發(fā)Nature、Science:比最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍!中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑
北京時(shí)間12月4日
國(guó)際頂尖雜志《Science》刊發(fā)了
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
潘建偉、陸朝陽(yáng)等組成的研究團(tuán)隊(duì)
的一項(xiàng)重磅研究成果

讓我們一起來(lái)看看吧!

中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)

“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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100個(gè)模式的量子計(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。

根據(jù)現(xiàn)有理論
該量子計(jì)算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度
比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)
快一百萬(wàn)億倍
(“九章”一分鐘完成的任務(wù),超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一億年)
等效地
其速度比去年谷歌發(fā)布的53個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”

快一百億倍

這一成果使得我國(guó)成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑:量子計(jì)算優(yōu)越性(國(guó)外也稱(chēng)之為“量子霸權(quán)”)。相關(guān)論文于12月4日在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。
2周內(nèi)連發(fā)Nature、Science:比最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍!中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑

圖1.??“九章”量子計(jì)算原型機(jī)光路系統(tǒng)原理圖?

量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力,可望通過(guò)特定算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問(wèn)題方面(如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等)相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。當(dāng)前,研制量子計(jì)算機(jī)已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一,成為歐美各發(fā)達(dá)國(guó)家角逐的焦點(diǎn)。對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的研究,本領(lǐng)域的國(guó)際同行公認(rèn)有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段:

第一階段

發(fā)展具備50-100個(gè)量子比特的高精度專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī),對(duì)于一些超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的高復(fù)雜度特定問(wèn)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

通過(guò)對(duì)規(guī)?;囿w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(wú)法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問(wèn)題(如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等)。

第三階段

通過(guò)積累在專(zhuān)用量子計(jì)算與模擬機(jī)的研制過(guò)程中發(fā)展起來(lái)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(wàn)量級(jí)),實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子邏輯門(mén),研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。

潘建偉團(tuán)隊(duì)一直在光量子信息處理方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平。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)。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(guó)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(xiàn)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”。
2周內(nèi)連發(fā)Nature、Science:比最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍!中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑
圖2. 光量子干涉實(shí)物圖
近期,該團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主研制同時(shí)具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴(kuò)展能力的量子光源,同時(shí)滿(mǎn)足相位穩(wěn)定、全連通隨機(jī)矩陣、波包重合度優(yōu)于99.5%、通過(guò)率優(yōu)于98%的100模式干涉線(xiàn)路,相對(duì)光程10-9以?xún)?nèi)的鎖相精度,高效率100通道超導(dǎo)納米線(xiàn)單光子探測(cè)器,成功構(gòu)建了76個(gè)光子100個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī)“九章”(命名為“九章”是為了紀(jì)念中國(guó)古代最早的數(shù)學(xué)專(zhuān)著《九章算術(shù)》)。
2周內(nèi)連發(fā)Nature、Science:比最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍!中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑
圖3.?100模式相位穩(wěn)定干涉儀
根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法,“九章”對(duì)于處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬(wàn)億倍,等效地比谷歌去年發(fā)布的53比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。同時(shí),通過(guò)高斯玻色取樣證明的量子計(jì)算優(yōu)越性不依賴(lài)于樣本數(shù)量,克服了谷歌53比特隨機(jī)線(xiàn)路取樣實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴(lài)于樣本數(shù)量的漏洞?!熬耪隆陛敵隽孔討B(tài)空間規(guī)模達(dá)到了1030(“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)模是1016,目前全世界的存儲(chǔ)容量是1022)。
該成果牢固確立了我國(guó)在國(guó)際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位,為未來(lái)實(shí)現(xiàn)可解決具有重大實(shí)用價(jià)值問(wèn)題的規(guī)模化量子模擬機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。此外,基于“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,將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。
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圖4. 光量子干涉示意圖?
2周內(nèi)連發(fā)Nature、Science:比最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍!中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑

《科學(xué)》雜志審稿人評(píng)價(jià)該工作是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”(a state-of-the-art experiment),“一個(gè)重大成就”(a major achievement)。研究人員希望這個(gè)工作能夠激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作,也預(yù)計(jì)將來(lái)會(huì)有提升的空間。量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)并不是一個(gè)一蹴而就的工作,而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計(jì)算硬件之間的競(jìng)爭(zhēng),但最終量子并行性會(huì)產(chǎn)生經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法企及的算力。

上述項(xiàng)目受到了中國(guó)科學(xué)院、安徽省、科技部、上海市和基金委的支持。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)新聞中心在調(diào)研專(zhuān)家?guī)斓幕A(chǔ)上,就這個(gè)工作以視頻或者文字的形式采訪了多位國(guó)外相關(guān)領(lǐng)域的教授,包括多位沃爾夫獎(jiǎng)獲得者,美國(guó)科學(xué)院院士等資深專(zhuān)家。讓我們一起來(lái)聽(tīng)聽(tīng)他們的評(píng)價(jià)吧!

德國(guó)馬普所所長(zhǎng) 沃爾夫獎(jiǎng)得主 富蘭克林獎(jiǎng)?wù)碌弥鱅gnacio Cirac

總體來(lái)說(shuō),這是量子科技領(lǐng)域的一個(gè)重大突破,朝著研制相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有量子優(yōu)勢(shì)的量子設(shè)備邁出了一大步。我相信這項(xiàng)成果背后付出了巨大的技術(shù)努力。潘教授的團(tuán)隊(duì)在世界上獨(dú)一無(wú)二的,他們產(chǎn)生了包括這個(gè)實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的很多重大成果。

奧地利科學(xué)院院長(zhǎng) 沃爾夫獎(jiǎng)得主 美國(guó)科學(xué)院院士Anton Zeilinger

這項(xiàng)工作成果很重要,因?yàn)榕私▊ズ退耐伦C明,基于光子(光的粒子)的量子計(jì)算機(jī)也可能實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”。我預(yù)測(cè)很有可能有朝一日量子計(jì)算機(jī)會(huì)被廣泛使用。甚至每個(gè)人都可以使用。

麻省理工學(xué)院副教授 美國(guó)青年科學(xué)家總統(tǒng)獎(jiǎng)得主 斯隆獎(jiǎng)得主Dirk Englund

這是一個(gè)劃時(shí)代的成果。這是一個(gè)了不起的成就。這是開(kāi)發(fā)這些中型量子計(jì)算機(jī)的里程碑。?

維也納大學(xué)教授 美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士Philip Walther

他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中拿到了目前最強(qiáng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)萬(wàn)億年才能給出的計(jì)算結(jié)果,為量子計(jì)算機(jī)的超強(qiáng)能力給出了強(qiáng)有力的證明。

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(zhǎng)Barry Sanders

我認(rèn)為這是一項(xiàng)杰出的工作,改變了當(dāng)前的格局(?it’s the game changer)。我們一直努力證明量子信息處理可以戰(zhàn)勝經(jīng)典的信息處理。這個(gè)實(shí)驗(yàn)使經(jīng)典計(jì)算機(jī)望塵莫及。

去年,谷歌取得了一項(xiàng)巨大的成果,即量子計(jì)算優(yōu)越性,但這是有爭(zhēng)議的。谷歌的結(jié)果是,他們擁有一臺(tái)量子計(jì)算機(jī),其性能比其他任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)都要好。然后,IBM對(duì)此提出相反的論點(diǎn):他們并未完全實(shí)現(xiàn)。質(zhì)疑是否真正的達(dá)到了量子計(jì)算優(yōu)越性。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)(潘建偉院士團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn))不存在爭(zhēng)論,毫無(wú)疑問(wèn),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。

我想說(shuō)的是,這個(gè)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(wèn)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(mèng)寐以求的實(shí)驗(yàn),他們做成了,讓夢(mèng)想走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

昆士蘭大學(xué)教授Tim Ralph

我相信潘教授和陸教授團(tuán)隊(duì)的論文是一個(gè)重大突破。這是一個(gè)真正的“英雄”實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)各個(gè)方面的技術(shù)推進(jìn)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)以前的水平。該設(shè)備的規(guī)模是非凡的:100模式干涉儀、25個(gè)壓縮器提供輸入的量子態(tài)、使用100個(gè)單光子探測(cè)器進(jìn)行探測(cè),并且實(shí)現(xiàn)了同時(shí)保持高效率,穩(wěn)定性和量子不可分辨性——這都是展示量子計(jì)算優(yōu)越性所必須的。

美國(guó)科學(xué)院院士 沃爾夫獎(jiǎng)得主 狄拉克獎(jiǎng)?wù)碌弥鱌eter Zoller

利用量子器件來(lái)解決日益復(fù)雜的問(wèn)題并體現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)是量子科學(xué)前沿中的最重要問(wèn)題之一。陸朝陽(yáng)、潘建偉和同事們基于光子進(jìn)行的高斯玻色子采樣實(shí)驗(yàn),無(wú)論是在量子系統(tǒng)的大小和擴(kuò)展性方面,還是在實(shí)際應(yīng)用的前景方面,都把研究水平提升到了一個(gè)新的高度。

瑞典皇家理工學(xué)院教授Val Zwiller

著名的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)報(bào)道的量子計(jì)算優(yōu)越性的工作為量子科學(xué)樹(shù)立了一個(gè)新的重要里程碑,因?yàn)橐粋€(gè)重要的量子優(yōu)勢(shì)清楚地證明了其量子處理器的表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于超級(jí)計(jì)算機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),他們克服了重大的技術(shù)挑戰(zhàn),從而產(chǎn)生、操縱和探測(cè)非常大尺度的光量子態(tài)。

美國(guó)耶魯大學(xué)教授 布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室量子優(yōu)勢(shì)合作設(shè)計(jì)中心主任 美國(guó)藝術(shù)和科學(xué)院院士 巴克萊獎(jiǎng)獲得者Steven Girvin

這是一個(gè)極其困難的,需要付出很大的努力來(lái)完善的工作。對(duì)此我印象非常深刻,我認(rèn)為這是我們控制量子系統(tǒng)能力的重要技術(shù)進(jìn)步。

英國(guó)劍橋大學(xué)教授? 英國(guó)物理學(xué)會(huì)托馬斯.楊獎(jiǎng)?wù)芦@得者M(jìn)ete Atature

對(duì)于量子計(jì)算這個(gè)蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域來(lái)說(shuō),這確實(shí)是一個(gè)驚艷的時(shí)刻。陸教授和潘教授的這一成就將光子和以基于光子的量子技術(shù)置于世界舞臺(tái)中央。通過(guò)這項(xiàng)工作,我們進(jìn)入了量子技術(shù)應(yīng)用的時(shí)代,與傳統(tǒng)方法相比,我們?nèi)〉昧丝捎|及的優(yōu)越性。

論文鏈接:

https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.abe8770

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