美媒：中國(guó)“九章”演示“量子霸權(quán)”
美媒稱(chēng)，史上第一次，一臺(tái)利用光子構(gòu)建的量子計(jì)算機(jī)的表現(xiàn)甚至超越了運(yùn)算速度最快的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)。
據(jù)《科學(xué)美國(guó)人》月刊網(wǎng)站12月3日?qǐng)?bào)道，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉和陸朝陽(yáng)率領(lǐng)的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上的論文顯示，其結(jié)果是76個(gè)被探測(cè)到的光子，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了先前創(chuàng)下紀(jì)錄的5個(gè)被測(cè)光子以及經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。
報(bào)道稱(chēng)，與利用硅處理器構(gòu)建的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，“九章”量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)由激光器、反射鏡、棱鏡和光子探測(cè)器組成的精密桌面裝置。它不是有朝一日可以發(fā)送電子郵件或存儲(chǔ)文檔的通用型計(jì)算機(jī)，但它卻可以展示量子計(jì)算技術(shù)的潛力。
算力遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)
去年，谷歌公司登上新聞?lì)^條，其研發(fā)的“西克莫”量子處理器耗時(shí)約3分鐘完成了超級(jí)計(jì)算機(jī)需要1萬(wàn)年才能完成的任務(wù)。而中科大團(tuán)隊(duì)在其論文中估計(jì)，如果用全球排名靠前的超級(jí)計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”來(lái)執(zhí)行“九章”完成的這項(xiàng)運(yùn)算任務(wù)，需要耗時(shí)驚人的25億年。
報(bào)道指出，這不過(guò)是科學(xué)家第二次演示“量子霸權(quán)”。這一術(shù)語(yǔ)描述的是，在某一時(shí)刻，量子計(jì)算機(jī)在速度上指數(shù)級(jí)超越任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)，進(jìn)而實(shí)際上完成其他設(shè)備無(wú)法完成的計(jì)算任務(wù)。
這一次不僅證明了原理，有些跡象表明，“高斯玻色取樣”可能有實(shí)際用途，例如解決量子化學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的專(zhuān)門(mén)問(wèn)題。更廣泛地說(shuō)，掌握控制作為量子比特的光子的能力是構(gòu)建任何大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)的先決條件。量子比特類(lèi)似于在經(jīng)典計(jì)算領(lǐng)域被用來(lái)代表信息的比特。
斯科特·阿倫森目前是美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀校區(qū)的理論計(jì)算機(jī)科學(xué)家。2011年，他與當(dāng)時(shí)還是他學(xué)生的亞歷克斯·阿爾希波夫率先闡述了玻色取樣的基本原理。阿倫森稱(chēng)，在許多年的時(shí)間里，玻色取樣實(shí)驗(yàn)一直局限在只能探測(cè)到大約3到5個(gè)光子的程度上，這與量子霸權(quán)“相去甚遠(yuǎn)”。他說(shuō)：“擴(kuò)大規(guī)模是很困難的，向他們致敬。”
報(bào)道稱(chēng)，在過(guò)去幾年里，量子計(jì)算技術(shù)已經(jīng)從原本的默默無(wú)聞一躍發(fā)展為一項(xiàng)價(jià)值數(shù)十億美元的事業(yè)，其對(duì)國(guó)家安全、全球經(jīng)濟(jì)以及物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)的潛在影響也得到了承認(rèn)。2019年，美國(guó)《國(guó)家量子計(jì)劃法》被簽署成為法律，美國(guó)打算未來(lái)10年在量子技術(shù)領(lǐng)域投資逾12億美元（1美元約合6.6元人民幣）。這一領(lǐng)域也吸引了相當(dāng)大量的炒作，有人發(fā)布不切實(shí)際的時(shí)間表，有人夸夸其談地稱(chēng)量子計(jì)算機(jī)將讓經(jīng)典計(jì)算機(jī)徹底過(guò)時(shí)。
技術(shù)路線(xiàn)與谷歌不同
報(bào)道認(rèn)為，中科大團(tuán)隊(duì)展示量子計(jì)算潛力的最新行動(dòng)至關(guān)重要，因?yàn)樗捎玫姆椒ㄅc谷歌公司的方法截然不同。“西克莫”用金屬超導(dǎo)環(huán)構(gòu)成量子比特，而在“九章”中，光子本身就是量子比特。陸朝陽(yáng)說(shuō)，這進(jìn)一步獨(dú)立證實(shí)了量子計(jì)算原理甚至可以在完全不同的硬件上實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，“我們因而確信，從長(zhǎng)期看，構(gòu)建有用的量子模擬器和容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)最終將是可行的”。
去年，中科大團(tuán)隊(duì)曾演示14光子玻色取樣——筆記本電腦很難完成該任務(wù)，但超級(jí)計(jì)算機(jī)卻能輕易完成。為擴(kuò)大規(guī)模并最終實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，他們采用了略微不同的規(guī)程，即“高斯玻色取樣”。
德國(guó)帕德博恩大學(xué)的量子光學(xué)專(zhuān)家、“高斯玻色取樣”的開(kāi)發(fā)者之一克里斯蒂娜·西爾伯霍恩說(shuō)，設(shè)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)是為了避開(kāi)阿倫森和阿爾希波夫的“香草玻色取樣”所使用的不可靠單個(gè)光子。
工作復(fù)雜性令人生畏
報(bào)道指出，西爾伯霍恩承認(rèn)，即便如此，中科大裝置的復(fù)雜性仍令人望而生畏。“九章”的運(yùn)行從一束激光開(kāi)始，這束激光被分成若干束去打擊25個(gè)由磷酸氧鈦鉀制成的晶體。每一個(gè)晶體被擊中后，它會(huì)可靠地向兩個(gè)相反方向吐出光子。然后這些光子被送入100個(gè)輸入端，在那里它們快速穿過(guò)一條由300個(gè)棱鏡和75面反射鏡組成的路徑。最后，這些光子落在100條狹縫中，并在那里被探測(cè)到。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的平均時(shí)間為200多秒，中科大團(tuán)隊(duì)在每次運(yùn)行中平均探測(cè)到大約43個(gè)光子。但在有一次運(yùn)行中，他們觀測(cè)到76個(gè)光子——這足以證明他們聲稱(chēng)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)是有理由的。
報(bào)道稱(chēng)，難以估算超級(jí)計(jì)算機(jī)需要用多長(zhǎng)時(shí)間來(lái)解決76個(gè)被測(cè)光子的分布問(wèn)題，一大原因是，用25億年時(shí)間來(lái)運(yùn)行一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)以進(jìn)行直接驗(yàn)證并不可行。作為替代，研究人員根據(jù)涉及數(shù)量較少被測(cè)光子時(shí)經(jīng)典計(jì)算技術(shù)所用運(yùn)算時(shí)間做了推算。研究人員聲稱(chēng)，在最順利的情況下，解決50個(gè)光子的分布問(wèn)題將花掉超級(jí)計(jì)算機(jī)兩天時(shí)間。
“九章”的名字來(lái)自《九章算術(shù)》一書(shū)，該書(shū)是一部影響力堪比歐幾里德《幾何原本》的中國(guó)古代教科書(shū)。
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