圖為“九章三號(hào)”實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
新華社合肥10月11日電 題：“九章三號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)問世 中國確立算力新里程碑
新華社記者何曦悅、徐海濤、郭鑫
中國科研團(tuán)隊(duì)11日宣布，成功構(gòu)建量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”，再度刷新光量子信息技術(shù)世界紀(jì)錄。“九章三號(hào)”求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問題的速度比目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一億億倍。
這是繼2020年實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”后，中國科研團(tuán)隊(duì)再次確立量子算力的新里程碑。
根據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)11日公布的消息，255個(gè)光子的“九章三號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)由該校潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作構(gòu)建。當(dāng)天，國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》也發(fā)表了這一科研成果。
量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式，1981年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼首先提出了量子計(jì)算機(jī)構(gòu)想。“九章”則得名于中國古代數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》，這部書總結(jié)了戰(zhàn)國、秦、漢時(shí)期的數(shù)學(xué)成就。
國際學(xué)術(shù)界通常對(duì)量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)發(fā)展制定“三步走”的路線圖，其中第一步就是實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”，即通過高精度地操縱近百個(gè)物理比特，高效求解超級(jí)計(jì)算機(jī)無法在合理時(shí)間內(nèi)解決的特定高復(fù)雜度數(shù)學(xué)問題。
“‘量子優(yōu)越性’像個(gè)門檻，是指當(dāng)新生的量子計(jì)算原型機(jī)，在某個(gè)問題上的計(jì)算能力超過了最強(qiáng)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，就證明其未來有多方超越的可能。”中國科大教授陸朝陽說，多年來國際學(xué)界高度關(guān)注、期待這個(gè)里程碑式轉(zhuǎn)折點(diǎn)到來。
2019年，美國谷歌公司宣布研制出53個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)“懸鈴木”，在全球首次實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。2020年，潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)，取名“九章”。“九章”處理高斯玻色取樣問題的速度比當(dāng)時(shí)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍，使中國成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。
2021年，該團(tuán)隊(duì)又成功研制113個(gè)光子的“九章二號(hào)”和66比特的“祖沖之二號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)，使中國成為唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩條技術(shù)路線都實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的國家。
此次最新發(fā)布的“九章三號(hào)”首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)255個(gè)光子的操縱能力，極大提升了計(jì)算的復(fù)雜度。根據(jù)業(yè)界公開的最優(yōu)算法，“九章三號(hào)”處理高斯玻色取樣的速度比“九章二號(hào)”提升一百萬倍，“九章三號(hào)”1微秒可算出的最復(fù)雜樣本，當(dāng)前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”約需200億年。
高斯玻色取樣是一個(gè)計(jì)算概率分布的算法，可用于編碼和求解多種問題，需要極大的運(yùn)算量。
“‘九章三號(hào)’較‘九章二號(hào)’最大的升級(jí)就在于‘時(shí)空解復(fù)用的光纖環(huán)’上，過去的‘九章二號(hào)’無法解析光子具體數(shù)量，光纖環(huán)的應(yīng)用能夠大幅度提高光子的操縱水平。”陸朝陽說，與此同時(shí)，受激量子光源也是目前世界上損耗率最低、模式數(shù)最多的，提高了光子數(shù)和品質(zhì)，提升了計(jì)算的復(fù)雜度。
“量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，可望通過特定算法在密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、天氣預(yù)報(bào)、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等領(lǐng)域，提供比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更強(qiáng)的算力支持。”潘建偉說。
當(dāng)前，國際量子計(jì)算研究呈加速態(tài)勢(shì)，量子計(jì)算成為全球各國科研和戰(zhàn)略布局的重點(diǎn)，包括IBM、谷歌等在內(nèi)的科技巨頭不斷加碼，各國政府和行業(yè)也正加速對(duì)量子計(jì)算的研發(fā)投資和政策扶持。
“通用量子計(jì)算機(jī)需要操縱上千萬的量子比特，同時(shí)也要具備糾錯(cuò)能力，這些都是目前九章系列量子計(jì)算原型機(jī)需要迭代實(shí)現(xiàn)的，量子技術(shù)的實(shí)用化是一場接力長跑。”陸朝陽說。
根據(jù)量子計(jì)算“三步走”路線圖，第二步是研制可操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，解決一些超級(jí)計(jì)算機(jī)無法勝任、具有重大實(shí)用價(jià)值的問題。第三步，大幅提高量子比特的操縱精度、集成數(shù)量和容錯(cuò)能力，研制可編程的通用量子計(jì)算機(jī)。
國際主流觀點(diǎn)認(rèn)為，要研制通用型量子計(jì)算機(jī)，至少還需要5年到10年時(shí)間。
潘建偉團(tuán)隊(duì)表示，期待這次突破能激發(fā)科學(xué)界更多關(guān)于經(jīng)典算法模擬的研究，逐步解決各種科學(xué)和工程挑戰(zhàn)，加快實(shí)現(xiàn)通用型量子計(jì)算機(jī)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。
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