中國(guó)量子計(jì)算原型機(jī)九章???????研究團(tuán)隊(duì)-潘建偉陸朝陽(yáng)背景資料介紹
時(shí)間：2020-12-04 16:49:36
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量子是什么，就有網(wǎng)友覺(jué)得云里霧里，什么是量子計(jì)算機(jī)？和我剛買的那臺(tái)蘋果M1版MacBook Pro筆記本電腦有什么區(qū)別？ 它比最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍，那么用來(lái)挖礦可好~~~
量子計(jì)算機(jī)可以解決一些超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的問(wèn)題，一個(gè)突破，多少技術(shù)革新？ 比美國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)快100億倍，光量子計(jì)算首次實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性，潘建偉將該光量子計(jì)算系統(tǒng)命名為 “九章”，以此紀(jì)念中國(guó)古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。
量子優(yōu)越性是指量子計(jì)算擁有的超越所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，即可以解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能解決的問(wèn)題或比經(jīng)典計(jì)算機(jī)有顯著的加速（一般是指數(shù)加速）。
為什么量子計(jì)算機(jī)如此之快？中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽(yáng)介紹說(shuō)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)將所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為 1 或 0，但量子計(jì)算機(jī)是利用量子力學(xué)的原理，可以允許一個(gè)物體同時(shí)處于多種狀態(tài)，比如說(shuō) 0 和 1 同時(shí)存在，原理上叫做「并行計(jì)算」，很多任務(wù)可以一起完成。正是因?yàn)榫哂谐斓牟⑿杏?jì)算能力，量子計(jì)算可望通過(guò)特定算法實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。
中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉介紹說(shuō)，量子優(yōu)越性的實(shí)現(xiàn)是量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑性目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們在高斯波色采樣實(shí)驗(yàn)當(dāng)中構(gòu)建了一個(gè)量子計(jì)算的原型機(jī)，比目前最快的超算快 10 的 14 次方倍。
我國(guó)科學(xué)家最新研制成功的量子計(jì)算原型機(jī)。
10 的 14 次方倍是什么概念？潘建偉給出了一個(gè)形象的解釋：「就相當(dāng)于我這里算一分鐘的東西，用『富岳號(hào)』拿來(lái)算的話，要算一億年才能算完，這就叫做量子優(yōu)越性。」這意味著，「我們總算可以演示（量子計(jì)算機(jī)的）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。」
潘建偉還介紹稱，他們將實(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)》。「九章」初步展示了量子計(jì)算的強(qiáng)大算力，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)規(guī)模化量子模擬機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
在應(yīng)用方面，潘建偉表示，「我們將把它初步用于量子化學(xué)、圖論組合數(shù)學(xué)的一些研究，甚至也可以用于一些機(jī)器學(xué)習(xí)的研究」。
在「九章」量子原型機(jī)的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)將通過(guò)提高量子比特的操縱精度等一系列技術(shù)攻關(guān)，力爭(zhēng)盡早研制出可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。
「希望通過(guò) 15 年到 20 年的努力，研制出通用的量子計(jì)算機(jī)，這樣它就可以用來(lái)解決很多非常廣泛的問(wèn)題。」潘建偉說(shuō)道。隨著計(jì)算能力的進(jìn)一步提升，量子計(jì)算機(jī)將有望在密碼破譯、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等具有實(shí)用價(jià)值的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
一直以來(lái)，高校和企業(yè)實(shí)驗(yàn)室都在量子優(yōu)越性方面保持競(jìng)爭(zhēng)。去年，谷歌推出 54 個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)「Sycamore」，宣布實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性。在世界第一超算需要計(jì)算 1 萬(wàn)年的實(shí)驗(yàn)中，量子計(jì)算機(jī)只用了 3 分 20 秒。
量子計(jì)算機(jī)被認(rèn)為能夠完成一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以完成的任務(wù)，玻色采樣也屬于此類任務(wù)，它是一種針對(duì)光子（玻色子）系統(tǒng)的量子優(yōu)越性測(cè)試案例。理論上，經(jīng)典計(jì)算機(jī)求解玻色采樣需要指數(shù)量級(jí)計(jì)算時(shí)間，而量子計(jì)算只需要多項(xiàng)式量級(jí)計(jì)算時(shí)間。與此同時(shí)，相比通用量子計(jì)算，玻色采樣更容易實(shí)現(xiàn)。
中科大的潘建偉、陸朝陽(yáng)研究團(tuán)隊(duì)將 50 個(gè)全同單模壓縮態(tài)輸入 100 模式超低損耗干涉線路，利用 100 個(gè)高效單光子探測(cè)器進(jìn)行高斯玻色采樣，輸出態(tài)空間維度達(dá)到了 10 的 30 次方，采樣速率比當(dāng)前最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)要快上 10 的 14 次方 (百萬(wàn)億) 倍。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)求解 5000 萬(wàn)個(gè)樣本的高斯玻色取樣時(shí)，「九章」需 200 秒，而目前世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)「富岳」需 6 億年。等效來(lái)看，「九章」的計(jì)算速度比「Sycamore」快 100 億倍，并彌補(bǔ)了「Sycamore」依賴樣本數(shù)量的技術(shù)漏洞。
「九章」量子計(jì)算原型機(jī)光路系統(tǒng)原理圖。
此外，在計(jì)算玻色采樣問(wèn)題時(shí)，「九章」可以在室溫條件下運(yùn)行（除光子探測(cè)部分需 4K 低溫），而谷歌的「Sycamore」實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性時(shí)必須全程在 - 273.12℃（30mK）的超低溫環(huán)境下運(yùn)行。
據(jù)了解，研究團(tuán)隊(duì)的這次突破前后歷經(jīng) 20 年時(shí)間，主要攻克高品質(zhì)光子源、高精度鎖相、規(guī)模化干涉三大技術(shù)難題。
加拿大量子計(jì)算初創(chuàng)公司 Xanadu 首席執(zhí)行官 Christian Weedbrook 表示，與谷歌的 Sycamore 相比，九章目前是不可編程的，因此在這一點(diǎn)上「不能用于解決實(shí)際問(wèn)題」。
目前「九章」與通用計(jì)算機(jī)相比還只是「單項(xiàng)冠軍」，但在圖論、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。Weedbrook 補(bǔ)充說(shuō)：「光子量子計(jì)算的起步時(shí)間比其他方法要晚，但可能超越其他方法。」
「九章」原型機(jī)的誕生在國(guó)際學(xué)術(shù)界也引起了廣泛關(guān)注。
倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的物理學(xué)家 Ian Walmsley 表示：「這無(wú)疑是一個(gè)杰出的實(shí)驗(yàn)，一個(gè)重要的里程碑。」
麻省理工學(xué)院教授、美國(guó)青年科學(xué)家總統(tǒng)獎(jiǎng)得主德克 · 英格倫評(píng)價(jià)說(shuō)，「這是開(kāi)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)、美國(guó)科學(xué)院院士安東 · 蔡林格評(píng)價(jià)說(shuō)，「這項(xiàng)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」。
高斯玻色采樣的共同提出者亞倫森表示，盡管谷歌的團(tuán)隊(duì)去年已經(jīng)實(shí)現(xiàn) 「量子霸權(quán)」，但這個(gè)概念非常重要，需要多個(gè)團(tuán)隊(duì)用多種技術(shù)重復(fù)去證實(shí)，因此他非常高興看到這次的成果。
左：陸朝陽(yáng)；右：潘建偉。
潘建偉團(tuán)隊(duì)一直是國(guó)內(nèi)量子研究領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。由潘建偉團(tuán)隊(duì)研發(fā)的墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)于 2011 年首批確定的五顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一。2017 年，利用“墨子號(hào)”，潘建偉團(tuán)隊(duì)將量子糾纏分發(fā)的距離再提高一個(gè)量級(jí)，達(dá)到 1200 公里。
潘建偉 1999 年獲奧地利維也納大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理博士學(xué)位，是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院院士、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院院長(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，主要從事量子光學(xué)、量子信息和量子力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題檢驗(yàn)等方面的研究。
作為國(guó)際上量子信息實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域的開(kāi)拓者之一，他是該領(lǐng)域有重要國(guó)際影響力的科學(xué)家。利用量子光學(xué)手段，他在量子調(diào)控領(lǐng)域取得了一系列有重要意義的研究成果，尤其是他關(guān)于量子通信和多光子糾纏操縱的系統(tǒng)性創(chuàng)新工作使得量子信息實(shí)驗(yàn)研究成為近年來(lái)物理學(xué)發(fā)展最迅速的方向之一。
潘建偉教授的研究成果曾多次入選 Nature 雜志評(píng)選的年度重大科學(xué)事件、美國(guó) Science 雜志評(píng)選的「年度十大科技進(jìn)展」、英國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的「年度物理學(xué)重大進(jìn)展」、美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的「年度物理學(xué)重大事件」以及兩院院士評(píng)選的「中國(guó)年度十大科技進(jìn)展新聞」。
「九章」的主要研究者之一陸朝陽(yáng)博士，畢業(yè)于劍橋大學(xué)物理系，是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授。2011 年，陸朝陽(yáng)入選劍橋大學(xué)丘吉爾學(xué)院 Fellow，2012 年獲得首批國(guó)家自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金，2014 年獲得香港求是杰出青年學(xué)者獎(jiǎng)，2015 年獲得國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，2016 年被《自然》評(píng)為「中國(guó)科學(xué)之星」，并入選美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士，2017 年獲得中國(guó)青年五四獎(jiǎng)?wù)隆W洲物理學(xué)會(huì)菲涅爾獎(jiǎng)、TR35 中國(guó)科技創(chuàng)新青年，2018 年獲得中科院青年科學(xué)家獎(jiǎng)，入選萬(wàn)人計(jì)劃領(lǐng)軍人才，2019 年獲得中國(guó)物理學(xué)會(huì)黃昆半導(dǎo)體物理獎(jiǎng)、科學(xué)探索獎(jiǎng)、仁科芳雄亞洲獎(jiǎng)、國(guó)際應(yīng)用和純物理協(xié)會(huì)（IUPAP-ICO）光學(xué)青年科學(xué)家獎(jiǎng)。
2020 年，陸朝陽(yáng)被授予美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)頒發(fā)的阿道夫隆獎(jiǎng)?wù)拢ˋdolph Lomb Medal），這是該獎(jiǎng)?wù)略O(shè)立 80 年來(lái)中國(guó)科學(xué)家獲獎(jiǎng)。10 月，陸朝陽(yáng)獲得美國(guó)物理學(xué)會(huì)授予的 2021 年度羅夫 · 蘭道爾和查爾斯 · 本內(nèi)特量子計(jì)算獎(jiǎng)。
參考鏈接：
http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73418.htm
http://news.cctv.com/2020/12/04/ARTIQWnwvPMotOYsHOmnXxgS201204.shtml
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/9/445318.shtm
https://quantum.ustc.edu.cn/web/node/32
http://news.ifeng.com/c/81udyc7BfiH
