“比超級計算機快億億億倍！”
更新時間：2025-02-25 點擊次數(shù)：306次
近日，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院科研團隊在超導(dǎo)量子和光量子兩種系統(tǒng)的量子計算方面取得重要進展，使我國成為目前世界上在兩種物理體系達到“量子計算性"里程碑的國家。 此次，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之二號"，實現(xiàn)了對“量子隨機線路取樣"任務(wù)的快速求解。 根據(jù)現(xiàn)有理論，“祖沖之二號"處理的量子隨機線路取樣問題的速度比目前的超級計算機快7個數(shù)量級，計算復(fù)雜度比谷歌公開報道的53比特超導(dǎo)量子計算原型機“懸鈴木"提高了6個數(shù)量級（“懸鈴木"處理“量子隨機線路取樣"問題比經(jīng)典超算快2個數(shù)量級），這一成果是我國繼光量子計算原型機“九章"后在超導(dǎo)量子比特體系達到“量子計算性"里程碑，使得我國成為目前同時在兩種物理體系都達到這一里程碑的國家。相關(guān)論文成果日前相繼發(fā)表在《物理評論快報》和《科學(xué)通報》上。量子計算機對特定問題的求解超越超級計算機，即量子計算性，是量子計算發(fā)展的個里程碑，達到該里程碑需要相干操縱50個以上量子比特。超導(dǎo)量子比特是的有望實現(xiàn)可擴展量子計算的物理體系之一。潘建偉、朱曉波、彭承志等長期瞄準(zhǔn)超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域，于2021年5月構(gòu)建了當(dāng)時國際上量子比特數(shù)目最多的62比特超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之號"，并實現(xiàn)了可編程的二維量子行走。團隊在“祖沖之號"工作的基礎(chǔ)上，采用全新的倒裝焊3D封裝工藝，解決了大規(guī)模比特集成的問題，研制成功“祖沖之二號"，實現(xiàn)了66個數(shù)據(jù)比特、110個耦合比特、11路讀取的高密度集成，態(tài)空間維度達到了1019?！白鏇_之二號"采用可調(diào)耦合架構(gòu)，實現(xiàn)了比特間耦合強度的快速、精確可調(diào)，顯著提高了并行量子門操作的保真度。通過量子編程的方式，研究人員實現(xiàn)了對量子隨機線路取樣，演示了“祖沖之二號"可用于執(zhí)行任意量子算法的編程能力。 根據(jù)目前已公開的化經(jīng)典算法，“祖沖之二號"處理量子隨機線路取樣問題的速度比目前的超級計算機快7個數(shù)量級，計算復(fù)雜度較谷歌“懸鈴木"提高了6個數(shù)量級。量子計算性的成功演示標(biāo)志著量子計算研究進入到發(fā)展的第二階段，開始量子糾錯和近期應(yīng)用的探索?！白鏇_之二號"采用二維網(wǎng)格比特排布芯片架構(gòu)，直接兼容表面碼量子糾錯算法，為量子糾錯并進一步實現(xiàn)通用量子計算奠定了基礎(chǔ)。同時，“祖沖之二號"的并行高保真度量子門操控能力和可編程能力，有望在特定領(lǐng)域找到有實用價值的應(yīng)用，預(yù)期應(yīng)用包括量子機器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)、量子近似優(yōu)化等。 科技日報記者26日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，發(fā)展了量子光源受激放大的理論和實驗方法，構(gòu)建了113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號"，并實現(xiàn)了相位可編程功能，完成了對用于演示“量子計算性"的高斯玻色取樣任務(wù)的快速求解。根據(jù)現(xiàn)有理論，“九章二號"處理高斯玻色取樣的速度比目前的超級計算機快10的24次方倍。這一成果再次刷新了國際上光量子操縱的技術(shù)水平，進一步提供了量子計算加速的實驗證據(jù)。 他們研究成果的相關(guān)論文于2021年10月26日以“編輯推薦"的形式發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上。量子物理學(xué)家、加拿大Calgary大學(xué)教授Barry Sanders同時受邀在Physics網(wǎng)站上謄寫長篇評述文章，稱贊該工作是“令人激動的實驗杰作"（dramatic tour de force.....），“令人印象深刻的的進步"（an impressive advance over the state-of-the-art）。量子計算機在原理上可通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面，獲得比經(jīng)典計算機更強的算力。早在1981年，費曼就提出了量子計算的初步想法。大規(guī)模量子計算機的物理實現(xiàn)是世界科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一。對于研制容錯的通用量子計算，因其苛刻的容錯閾值和大尺度的量子比特數(shù)目，離目前人類的科技發(fā)展水平尚有不小的差距。 因此，實現(xiàn)對于量子計算的物理實現(xiàn)，國際學(xué)術(shù)界采取三步走的路線圖。其中，個里程碑，在學(xué)術(shù)上被稱為“量子計算性"，其含義是通過高精度地操縱近百個物理比特，用來高效地解決超級計算機都無法在合理時間內(nèi)解決的特定的高復(fù)雜度數(shù)學(xué)問題，從實驗上確鑿地證明四十年前費曼所提出來地量子計算加速設(shè)想，并駁斥“擴展丘奇—圖靈論題"。基于光子的玻色取樣和基于超導(dǎo)比特的隨機線路取樣是實驗展示量子計算性的兩個重要方案。潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處于水平。2017年，該團隊構(gòu)建了世界超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算原型機。2019年，團隊進一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際性能單光子源，實現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出希爾伯特態(tài)空間維度達到1014，逼近了“量子計算性"。 2020年，潘建偉團隊成功構(gòu)建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章"，輸出量子態(tài)空間規(guī)模達到了1030，處理高斯玻色取樣的速度比超級計算機快一百萬億倍，同時克服了谷歌基于“懸鈴木"超導(dǎo)處理器的隨機線路取樣實驗中量子性依賴于樣本數(shù)量的漏洞?！熬耪?實驗完成后，在理論提出玻色取樣算法和證明計算復(fù)雜度的Scott Aaronson教授隨后獲得了由國際計算機協(xié)會頒發(fā)的ACM Prize in Computing。 2021年，團隊在“九章"的基礎(chǔ)上，進行了一系列概念和技術(shù)創(chuàng)新。受到激光—“受激輻射光放大"概念的啟發(fā)，研究人員設(shè)計并實現(xiàn)了受激雙模量子壓縮光源，顯著提高了量子光源的產(chǎn)率、品質(zhì)和收集效率。其次，通過三維集成和收集光路的緊湊設(shè)計，多光子量子干涉線路增加到了144維度。由此，“九章二號"探測到的光子數(shù)增加到了113個，輸出態(tài)空間維度達到了1043。進一步，通過動態(tài)調(diào)節(jié)壓縮光的相位，研究人員實現(xiàn)了對高斯玻色取樣矩陣的重新配置，演示了“九章二號"可用于求解不同參數(shù)數(shù)學(xué)問題的編程能力。根據(jù)目前已正式發(fā)表的化經(jīng)典算法，“九章二號"在高斯玻色取樣這個問題上的處理速度比的超級計算機快億億億倍。 研究人員希望這個工作能夠繼續(xù)激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作，也預(yù)計將來會有提升的空間。研究人員也表示，量子性實驗并不是一個一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭，但最終量子并行性會產(chǎn)生經(jīng)典計算機無法企及的算力。免責(zé)聲明：部分圖片與視頻來源網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請通知刪除
