「九章三號」來了!就像孫悟空的「分身術」,量子計算為何如此神奇

2023年10月11日20:10:07 科學 1521

潮新聞客戶端 記者 屠晨昕

劉慈欣科幻小說《鏡子》里,主人公研製出一台量子計算機,給定每個粒子的初始條件,它竟模擬出我們這個宇宙的演化過程,像鏡子一樣忠實地還原現實,使人能了解並預測現實世界發生的一切……

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圖源視覺中國

今天傳來一條振奮人心的消息,讓我們距離那樣的神奇未來更近了一步——

中國科學技術大學浙江東陽籍科學家潘建偉、陸朝陽團隊與中國科學院上海微系統與信息技術研究所、國家並行計算機工程技術研究中心合作,宣布成功構建255個光子量子計算原型機「九章三號」,再度刷新了光量子信息的技術水平和量子計算優越性的世界紀錄。

今天(10月11日),國際知名學術期刊物理評論快報》發表該成果。在求解高斯玻色取樣數學問題時,「九章三號」比上一代「九章二號」提升100萬倍,比目前全球最快的超級計算機「前沿」(Frontier)快一億億倍。「九章三號」1微秒可算出的最複雜樣本,「前沿」要算約200億年

世界上沒有什麼技術跨越,能像量子計算機對經典計算機的優勢如此巨大。一旦通用性量子計算機在一些實質性領域獲得重大突破,人類面臨的一些重大挑戰和難題很有希望迎刃而解,譬如加速藥物開發、優化交通規劃、提升密碼安全、探索宇宙奧秘等。

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2017年4月20日,在中科大量子存儲實驗室,潘建偉院士正在了解科研情況。圖源視覺中國

兩條技術路線都實現「量子優越性」,世界唯一

1981年,諾貝爾獎獲得者理查德·費曼提出量子計算機構想。作為信息科技「後摩爾時代」一種新型計算範式,量子計算在原理上具有超快並行計算能力,可通過特定演算法產生超越傳統計算機的算力,解決重大經濟社會問題。

2020年,潘建偉團隊成功構建76個光子的量子計算原型機「九章」,處理高斯玻色取樣問題的速度比當時最快的超級計算機快100萬億倍,使中國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家。2021年,他們進一步成功研製113個光子的「九章二號」和66比特的「祖沖之二號」量子計算原型機,使中國成為唯一在光學和超導兩條技術路線都實現「量子優越性」的國家

而「九章三號」則將光子數提升到了255個,輸出態空間維度達到了10的43次方。這意味著我國在光量子計算領域已經達到了世界領先水平,展示了中國科技創新和自主研發的強大能力和信心。

「我們研製了基於光纖時間延遲環的超導納米線探測器,首先把多光子態分束到不同空間模式,然後通過延時把空間轉化為時間,實現了准光子數可分辨的單光子探測系統。」據研究團隊成員、中國科大教授陸朝陽介紹說,這些創新使團隊首次實現了對255個光子的操縱能力,極大提升計算的複雜度。

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2021年9月18日,合肥,陸朝陽在2021量子產業大會上作量子計算研究進展主題報告。圖源視覺中國

孫悟空的「分身術」,量子計算的神奇技能

為什麼量子計算有相對於經典計算機如此顛覆性的優勢呢?對此,潘建偉院士曾經打了一個簡單而生動的比方——

孫悟空有一項本領:可以變出許多個自己。他只需要拔下一根汗毛吹一下,就能變出無數個一模一樣的自己。假設你在一個迷宮裡,迷宮只有一個出口,你可能要嘗試無數次才能走出迷宮。但在量子世界中,你就像孫悟空一樣擁有了無數個分身,每個分身都去探索一條線路,這樣就能以最快的速度找到迷宮的出口。這,就是量子計算機和普通計算機的區別。

經典計算機使用比特作為信息的基本單位,每個比特只能0或1。而量子計算機使用量子比特作為信息的基本單位,每個量子比特可以同時表示0和1兩種狀態,或者說是0和1的疊加態。這就使得量子計算機可以同時處理多個信息,實現並行計算和指數加速。

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2021年2月26日,北京量子信息科學研究院超導量子計算實驗室內,研究員正在進行科研工作。圖源視覺中國

光學和超導兩條量子計算技術路徑,各擅勝場

前面提到,當前量子計算機有光學和超導兩條主要的技術路線,「九章」系列屬於光量子計算機,這是一種基於光子(光的粒子)作為載體和操縱對象的量子計算機。

光量子計算的優勢在於,光子具有很好的相干性和穩定性,不易受外界干擾,可以保持較長時間量子疊加態;光子可以實現高效率和高精度的單光子源、單光子探測器、多光子干涉等關鍵技術;光子可以方便地與其他物理系統進行耦合和交換信息,實現多平台的量子網路和通信。

而超導量子計算也有其長處——量子比特可控性強、拓展性良好、可依託現有成熟的集成電路工藝。但劣勢也很明顯:為保障退相干時間,超導量子比特必須在接近絕對零度的真空環境下運行,這就必須依賴強大的低溫製冷系統。如果室溫超導技術獲得實質性突破,超導量子計算將有望迎來爆發性的大發展。

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2019年9月25日,「2019雲棲大會」上的量子計算展台。圖源視覺中國

通用量子計算機,或將天翻地覆般改變我們的生活

隨著時代的發展,人類對計算能力的需求越來越大。但是,「摩爾定律」已經基本失效,經典計算機接近了其物理上的「天花板」,無法滿足一些複雜和重要的問題的求解。例如,目前最快的超級計算機也無法模擬一個含有幾十個電子的分子的運動,也無法破解一些強大的密碼系統。而量子計算機則可以突破這些限制,實現指數級的加速。

人類面臨著許多重大挑戰和難題,需要藉助更強大的通用量子計算機來解決。例如,新型藥物的開發需要模擬複雜的分子結構和反應過程,交通規劃需要優化龐大的路網和車輛流動,信息安全需要防範日益增長的網路攻擊,宇宙探索需要處理海量的天文數據……當那一天臨近時,我們或許會驚訝地發現,我們的生活面貌被改變的程度將遠超想像,堪稱革命性。

據悉,量子計算髮展有三步:第一是實現量子計算優越性,需要相干操縱50個以上量子比特,這一步已基本完成;第二是製成實用量子模擬機,需要相干操縱數百到數千量子比特;最後,製成通用量子計算機,需要相干操縱數百萬量子比特。

目前的「九章三號」,還只是具有潛在應用價值的「單項冠軍」。潘建偉團隊表示,期待這次突破能激發科學界更多關於經典演算法模擬的研究,解決各種科學和工程挑戰,加快實現通用量子計算機。

在「九章三號」的成果公布之際,讓我們期待那激動人心的未來世界早日到來。

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