200秒=6億年！我量子計算機算力大跨越

徐海濤 董瑞豐 周暢

新華社電 記者徐海濤 董瑞豐 周暢 在一個特定賽道上，200秒的“量子算力”，相當于目前“最強超算”6億年的計算能力！12月4日，《科學》雜志公布了中國“九章”的重大突破。

這臺由中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等學者研制的76個光子的量子計算原型機，推動全球量子計算的前沿研究達到一個新高度。盡管距離實際應用仍有漫漫長路，但成功實現了“量子計算優越性”的里程碑式突破。

“九章”優勝在何處？里程碑式跨越如何實現？“算力革命”走向何方？記者就這些問題采訪了潘建偉團隊。

算力新高度 技術三優勢

“量子優越性”——橫亙在量子計算研究之路上的第一道難關。

這是一個科學術語：作為新生事物的量子計算機，一旦在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機，就證明了量子計算機的優越性，跨過了未來多方面超越傳統計算機的門檻。

多年來，國際學界一直高度關注、期待這個里程碑式轉折點到來。

去年9月，美國谷歌公司宣布研制出53個量子比特的計算機“懸鈴木”，對一個數學問題的計算只需200秒，而當時世界最快的超級計算機“頂峰”需要2天，因此他們在全球首次實現了“量子優越性”。

近期，中科大潘建偉團隊與中科院上海微系統與信息技術研究所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”。

“取名‘九章，是為了紀念中國古代著名數學專著《九章算術》。”潘建偉說。

實驗顯示，“九章”對經典數學算法高斯玻色取樣的計算速度，比目前世界最快的超算“富岳”快一百萬億倍，從而在全球第二個實現了“量子優越性”。

高斯玻色取樣是一個計算概率分布的算法，可用于編碼和求解多種問題。當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣問題時，“九章”需200秒，而目前世界上最快的超級計算機“富岳”需6億年;當求解100億個樣本時，“九章”需10小時，“富岳”需1200億年。

潘建偉團隊表示，相比“懸鈴木”，“九章”有三大優勢：一是速度更快。雖然算的不是同一個數學問題，但與最快的超算等效比較，“九章”比“懸鈴木”快100億倍。二是環境適應性。“懸鈴木”需要零下273.12攝氏度的運行環境，而“九章”除了探測部分需要零下269.12攝氏度的環境外，其他部分可以在室溫下運行。三是彌補了技術漏洞。“懸鈴木”只有在小樣本的情況下快于超算，“九章”在小樣本和大樣本上均快于超算。

“打個比方，就是谷歌的機器短跑可以跑贏超算，長跑跑不贏;我們的機器短跑和長跑都能跑贏。”他們說。

20年努力攻克三大技術難關

對于“九章”的突破，《科學》雜志審稿人評價這是“一個最先進的實驗”“一個重大成就”。

多位國際知名專家也給予高度評價。“這是量子領域的重大突破，朝著研制比傳統計算機更有優勢的量子設備邁出了一大步！我相信成果背后付出了巨大的努力。”德國馬克斯·普朗克研究所所長伊格納西奧·西拉克說。

美國麻省理工學院教授德克·英格倫認為，這是“一項了不起的成就”“一個劃時代的成果”。

加拿大卡爾加里大學量子研究所所長巴里·桑德斯說，毫無疑問，這個實驗結果遠遠超出了傳統機器的模擬能力。

據了解，潘建偉團隊這次突破歷經了20年努力，從2001年開始組建實驗室，他們曾多次刷新量子糾纏數量的世界紀錄。“九章”的突破，主要攻克了三大技術難關：高品質量子光源、高精度鎖相技術、規模化干涉技術。

其中的高品質量子光源，是目前國際上唯一同時具備高效率、高全同性、高亮度和大規模擴展能力的量子光源。“比如說，我們每次喝下一口水很容易，但要每次喝下一個水分子非常困難。”中科大教授陸朝陽說，高品質光源要保證每次只“放出”1個光子，且每個光子要一模一樣，這是巨大挑戰。同時，鎖相精度要控制在10的負9次方以內，相當于傳輸一百公里距離，偏差不能超過一根頭發絲的直徑。

此外，為了核驗“九章”算得“準不準”，他們用超算同步驗證。“10個、20個光子的時候，結果都能對得上，到40個光子的時候超算就比較吃力了，而‘九章一直算到了76個光子。”陸朝陽說，另一方面，超算的耗電量太大，計算40個光子時需要電費200萬元，41個光子需要400萬元，42個光子需要800萬元，推算下去將是天文數字。

“算力革命”躍馬人類未來

當前，量子計算已成為全球各國競相角逐的焦點。比如近期，歐盟宣布擬投資80億歐元，研究量子計算等新一代算力技術。

“量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定算法在密碼破譯、大數據優化、天氣預報、材料設計、藥物分析等領域，提供比傳統計算機更強的算力支持。”潘建偉說。

據了解，國際主流觀點認為，量子計算機的發展將有三個階段：

第一階段，研制50個到100個量子比特的專用量子計算機，實現“量子優越性”里程碑式突破。

第二階段，研制可操縱數百個量子比特的量子模擬機，解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題，比如量子化學、新材料設計、優化算法等。

第三階段，大幅提高量子比特的操縱精度、集成數量和容錯能力，研制可編程的通用量子計算原型機。

目前，“九章”還處在第一階段，但在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用價值。

潘建偉團隊表示，“量子優越性”實驗并非一蹴而就的工作，而是更快的經典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭，但最終量子計算機會產生傳統計算機無法企及的算力。下一步，他們將在光子、超導、冷原子等多條技術線路上推進研究。

“我對量子計算的前景非常樂觀，世界上有很多聰明人在做這件事，包括我的中國同事們。”奧地利科學院院長、美國科學院院士安東·塞林格預測，很有可能有朝一日量子計算機會被廣泛推廣，“每個人都可以使用”。