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太阳成集团tyc234cc:【安徽商报】“九章”问世 全球最快 比最快的超级计算机快一百万亿倍 实现“量子计算优越性”里程碑

时间:2020-12-06 14:03:58 来源:安徽商报

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  本报讯(安徽商报融媒体记者 胡霈霖) 中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作,构建了76个光子的量子计算原型机“九章”,实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。根据现有理论,该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍(“九章”一分钟完成的任务,超级计算机需要一亿年)。这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑:量子计算优越性即“量子霸权”。相关论文于12月4日在线发表在国际学术期刊《科学》。


  潘建伟团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平。2017年,该团队构建了世界首台超越早期经典计算机(ENIAC)的光量子计算原型机。2019年,团队进一步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源,实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样,输出复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间,逼近了“量子计算优越性”。


  近期,该团队通过自主研制同时具备高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源,同时满足相位稳定、全连通随机矩阵、波包重合度优于99.5%、通过率优于98%的100模式干涉线路,相对光程10-9以内的锁相精度,高效率100通道超导纳米线单光子探测器,成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”。而命名为“九章”,是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。


  算力新高度 技术三优势


  “量子优越性”——横亘在量子计算研究之路上的第一道难关。


  这是一个科学术语:作为新生事物的量子计算机,一旦在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机,就证明了量子计算机的优越性,跨过了未来多方面超越传统计算机的门槛。

多年来,国际学界一直高度关注、期待这个里程碑式转折点到来。


  去年9月,美国谷歌公司宣布研制出53个量子比特的计算机“悬铃木”,对一个数学问题的计算只需200秒,而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需要2天,因此他们在全球首次实现了“量子优越性”。


  近期,中科大潘建伟团队与中科院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作,成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。


  实验显示,“九章”对经典数学算法高斯玻色取样的计算速度,比目前世界最快的超算“富岳”快一百万亿倍,从而在全球第二个实现了“量子优越性”。


  高斯玻色取样是一个计算概率分布的算法,可用于编码和求解多种问题。当求解5000万个样本的高斯玻色取样问题时,“九章”需200秒,而目前世界上最快的超级计算机“富岳”需6亿年;当求解100亿个样本时,“九章”需10小时,“富岳”需1200亿年。


  潘建伟团队表示,相比“悬铃木”,“九章”有三大优势:一是速度更快。虽然算的不是同一个数学问题,但与最快的超算等效比较,“九章”比“悬铃木”快100亿倍。二是环境适应性。“悬铃木”需要零下273.12摄氏度的运行环境,而“九章”除了探测部分需要零下269.12摄氏度的环境外,其他部分可以在室温下运行。三是弥补了技术漏洞。“悬铃木”只有在小样本的情况下快于超算,“九章”在小样本和大样本上均快于超算。


  “打个比方,就是谷歌的机器短跑可以跑赢超算,长跑跑不赢;我们的机器短跑和长跑都能跑赢。”他们说。


  20年努力攻克三大技术难关


  对于“九章”的突破,《科学》杂志审稿人评价这是“一个最先进的实验”“一个重大成就”。


  据了解,潘建伟团队这次突破历经了20年努力,从2001年开始组建实验室,他们曾多次刷新量子纠缠数量的世界纪录。“九章”的突破,主要攻克了三大技术难关:高品质量子光源、高精度锁相技术、规模化干涉技术。


  其中的高品质量子光源,是目前国际上唯一同时具备高效率、高全同性、高亮度和大规模扩展能力的量子光源。“比如说,我们每次喝下一口水很容易,但要每次喝下一个水分子非常困难。”中科大教授陆朝阳说,高品质光源要保证每次只“放出”1个光子,且每个光子要一模一样,这是巨大挑战。同时,锁相精度要控制在10的负9次方以内,相当于传输一百公里距离,偏差不能超过一根头发丝的直径。


  此外,为了核验“九章”算得“准不准”,他们用超算同步验证。“10个、20个光子的时候,结果都能对得上,到40个光子的时候超算就比较吃力了,而‘九章’一直算到了76个光子。”陆朝阳说,另一方面,超算的耗电量太大,计算40个光子时需要电费200万元,41个光子需要400万元,42个光子需要800万元,推算下去将是天文数字。


  “算力革命”跃马人类未来


  当前,量子计算已成为全球各国竞相角逐的焦点。比如近期,欧盟宣布拟投资80亿欧元,研究量子计算等新一代算力技术。


  “量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力,可望通过特定算法在密码破译、大数据优化、天气预报、材料设计、药物分析等领域,提供比传统计算机更强的算力支持。”潘建伟说。


  据了解,国际主流观点认为,量子计算机的发展将有三个阶段:


  第一阶段,研制50个到100个量子比特的专用量子计算机,实现“量子优越性”里程碑式突破。


  第二阶段,研制可操纵数百个量子比特的量子模拟机,解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题,比如量子化学、新材料设计、优化算法等。


  第三阶段,大幅提高量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力,研制可编程的通用量子计算原型机。


  目前,“九章”还处在第一阶段,但在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用价值。


  潘建伟团队表示,“量子优越性”实验并非一蹴而就的工作,而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争,但最终量子计算机会产生传统计算机无法企及的算力。下一步,他们将在光子、超导、冷原子等多条技术线路上推进研究。据新华社电


  “九章”优胜在何处?里程碑式跨越如何实现?“算力革命”走向何方?记者就这些问题采访了潘建伟团队。


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  《安徽商报》头版 (2020-12-05)

  http://app.ahrb.com.cn/ahsb/pc/con/202012/05/c194306.html


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