200秒只是短短一瞬，6億年早已是滄海桑田。2020年12月4日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布該校潘建偉等人成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”（下稱“九章”），求解數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)要用6億年。

這一突破使我國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家。

在設(shè)備的自主研發(fā)、技術(shù)革新上下功夫

“九章”既是中國(guó)古代的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》，也是牢固確立了我國(guó)在國(guó)際量子計(jì)算研究中第一方陣地位的量子計(jì)算原型機(jī)，二者皆有里程碑意義。

“量子優(yōu)越性”指的是作為新生事物的量子計(jì)算機(jī)，一旦在某個(gè)問(wèn)題上的計(jì)算能力超過(guò)了最強(qiáng)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，就證明了量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性，跨過(guò)了未來(lái)在多方面超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的門檻。

“這將實(shí)驗(yàn)各方面的技術(shù)推進(jìn)到遠(yuǎn)超以前的水平。”澳大利亞昆士蘭大學(xué)教授蒂姆·拉夫說(shuō)，“該設(shè)備的規(guī)模是非凡的：100 模式干涉儀、25 個(gè)壓縮器提供輸入的量子態(tài)、使用100 個(gè)單光子探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，并且實(shí)現(xiàn)了同時(shí)保持高效率，穩(wěn)定性和量子不可分辨性——這都是展示量子計(jì)算優(yōu)越性所必需的。”

從20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，到76個(gè)光子100個(gè)模式的高斯玻色取樣，必須在設(shè)備上下功夫?！耙婚_(kāi)始，高效率100通道超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器性能很低，只有4%。我們通過(guò)與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所合作，自主研發(fā)、革新技術(shù)，現(xiàn)在其性能已經(jīng)提升到了98%?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽(yáng)說(shuō)，不斷增強(qiáng)量子光源、量子干涉、單光子探測(cè)器等領(lǐng)域的自主創(chuàng)新，是下一步研究的重點(diǎn)。

“利用量子器件來(lái)解決日益復(fù)雜的問(wèn)題并體現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)，是量子科學(xué)前沿中的最重要問(wèn)題之一?！泵绹?guó)科學(xué)院院士彼得·佐勒認(rèn)為，潘建偉團(tuán)隊(duì)的研究，在量子系統(tǒng)的大小與擴(kuò)展性、實(shí)際應(yīng)用的前景方面把研究水平提升到了一個(gè)新的高度。

在不增加能耗的基礎(chǔ)上，提升計(jì)算能力

“大數(shù)據(jù)時(shí)代，全球數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)，每?jī)赡攴环?。龐大的?shù)據(jù)若不提取，就沒(méi)有意義?！迸私▊フf(shuō)。目前，計(jì)算機(jī)傳統(tǒng)的發(fā)展模式受限，超級(jí)計(jì)算機(jī)能耗巨大。在潘建偉看來(lái)，“九章”問(wèn)世的意義在于能在不增加能耗的基礎(chǔ)上，提升計(jì)算能力。

眼下，研制量子計(jì)算機(jī)已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一，是全球角逐的焦點(diǎn)。2019年，谷歌公司推出53個(gè)超導(dǎo)量子比特的計(jì)算機(jī)“懸鈴木”，對(duì)一個(gè)數(shù)學(xué)算法的計(jì)算效率遠(yuǎn)超當(dāng)時(shí)世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，率先實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。而“九章”則實(shí)現(xiàn)了“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。

處理5000萬(wàn)個(gè)樣本的高斯玻色取樣問(wèn)題，“九章”只需200秒，而目前世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)則需要6億年；處理100億個(gè)樣本，“九章”需10個(gè)小時(shí)，超級(jí)計(jì)算機(jī)則需要1200億年。正如陸朝陽(yáng)所說(shuō)：“‘九章’在1分鐘時(shí)間里完成了經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)1億年才能完成的任務(wù)。”

對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研究，國(guó)際同行公認(rèn)有3個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：第一階段是發(fā)展具備50至100個(gè)量子比特的高精度專用量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算科學(xué)中量子計(jì)算優(yōu)越性的里程碑；第二階段是研制可相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，以解決若干超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問(wèn)題；第三階段是大幅度提高可集成的量子比特?cái)?shù)目至百萬(wàn)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子邏輯門，研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。

陸朝陽(yáng)介紹，與“懸鈴木”相比，“九章”具有運(yùn)算速度更快、環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、克服技術(shù)漏洞這三大優(yōu)勢(shì)?！皯意從尽敝挥性谛颖镜那闆r下快于超級(jí)計(jì)算機(jī)，“九章”則在小樣本和大樣本上都超過(guò)了超級(jí)計(jì)算機(jī)，“好比賽跑，谷歌的機(jī)器短跑能跑贏超級(jí)計(jì)算機(jī)，長(zhǎng)跑跑不贏；我們的機(jī)器短跑、長(zhǎng)跑都能跑贏?！?/p>

在機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在前景

“九章”的誕生，是否意味著我國(guó)在“量子爭(zhēng)霸”上已經(jīng)取得勝利？人類是否馬上就要進(jìn)入量子計(jì)算的時(shí)代？我們可以用它來(lái)做些什么？

潘建偉團(tuán)隊(duì)透露，盡管“九章”的算力快得驚人，但它只是在量子計(jì)算第一階段樹(shù)起了一座里程碑，未來(lái)的路還很長(zhǎng)。

在人們對(duì)算力需求指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的時(shí)代，量子計(jì)算機(jī)已然成為世界前沿的兵家必爭(zhēng)之地。最近美國(guó)公布了量子計(jì)算領(lǐng)域的最新計(jì)劃，英國(guó)、歐盟、日本等國(guó)家和地區(qū)也早有相應(yīng)規(guī)劃。我國(guó)“九章”的研制成功，不僅取得了“量子優(yōu)越性”的里程碑式進(jìn)展，也為第二步——解決若干超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問(wèn)題提供了潛在的前景。

眼下，無(wú)論是谷歌的“懸鈴木”處理“隨機(jī)線路取樣”，還是“九章”求解“高斯玻色取樣”，都只能用來(lái)解決某一個(gè)特定問(wèn)題。潘建偉解釋，這是因?yàn)槟壳翱捎脕?lái)搭建量子計(jì)算機(jī)的材料有限，只能“就食材做菜”，未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的突破，更有可能依賴于新材料在量子計(jì)算硬件上的創(chuàng)新。“這不是一個(gè)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(jì)算硬件之間的競(jìng)爭(zhēng)?！迸私▊フf(shuō)。

潘建偉透露，在“九章”的基礎(chǔ)上，他們將通過(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)?！跋Ｍ軌蛲ㄟ^(guò)15年到20年的努力，研制出通用的量子計(jì)算機(jī)，用以解決一些應(yīng)用非常廣泛的問(wèn)題，比如密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)等，同時(shí)也可以用于進(jìn)一步探索物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)領(lǐng)域的一些復(fù)雜問(wèn)題?！?/p>