“九章”到底有多神

200秒只是短短一瞬，6億年早已是滄海桑田。2020年12月4日，中國科學技術大學宣布該校潘建偉等人成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”（下稱“九章”），求解數(shù)學算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級計算機要用6億年。

這一突破使我國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。

“九章”既是中國古代的數(shù)學專著《九章算術》，也是牢固確立了我國在國際量子計算研究中第一方陣地位的量子計算原型機，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算機，一旦在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統(tǒng)計算機，就證明了量子計算機的優(yōu)越性，跨過了未來在多方面超越傳統(tǒng)計算機的門檻。

“這將實驗各方面的技術推進到遠超以前的水平。”澳大利亞昆士蘭大學教授蒂姆·拉夫說，“該設備的規(guī)模是非凡的：100模式干涉儀、25個壓縮器提供輸入的量子態(tài)、使用100個單光子探測器進行探測，并且實現(xiàn)了同時保持高效率，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個光子100個模式的高斯玻色取樣，必須在設備上下功夫。“一開始，高效率100通道超導納米線單光子探測器性能很低，只有4%。我們通過與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所合作，自主研發(fā)、革新技術，現(xiàn)在其性能已經提升到了98%。”中國科學技術大學教授陸朝陽說，不斷增強量子光源、量子干涉、單光子探測器等領域的自主創(chuàng)新，是下一步研究的重點。

“利用量子器件來解決日益復雜的問題并體現(xiàn)量子優(yōu)勢，是量子科學前沿中的最重要問題之一。”美國科學院院士彼得·佐勒認為，潘建偉團隊的研究，在量子系統(tǒng)的大小與擴展性、實際應用的前景方面把研究水平提升到了一個新的高度。

“大數(shù)據(jù)時代，全球數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增長，每兩年翻一番。龐大的數(shù)據(jù)若不提取，就沒有意義。”潘建偉說。目前，計算機傳統(tǒng)的發(fā)展模式受限，超級計算機能耗巨大。在潘建偉看來，“九章”問世的意義在于能在不增加能耗的基礎上，提升計算能力。

眼下，研制量子計算機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。2019年，谷歌公司推出53個超導量子比特的計算機“懸鈴木”，對一個數(shù)學算法的計算效率遠超當時世界最快的超級計算機，率先實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。而“九章”則實現(xiàn)了“高斯玻色取樣”任務的快速求解。

處理5000萬個樣本的高斯玻色取樣問題，“九章”只需200秒，而目前世界上最快的超級計算機則需要6億年;處理100億個樣本，“九章”需10個小時，超級計算機則需要1200億年。正如陸朝陽所說：“‘九章在1分鐘時間里完成了經典超級計算機1億年才能完成的任務。”

對量子計算機的研究，國際同行公認有3個指標性的發(fā)展階段：第一階段是發(fā)展具備50至100個量子比特的高精度專用量子計算機，實現(xiàn)計算科學中量子計算優(yōu)越性的里程碑;第二階段是研制可相干操縱數(shù)百個量子比特的量子模擬機，以解決若干超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題;第三階段是大幅度提高可集成的量子比特數(shù)目至百萬量級，實現(xiàn)容錯量子邏輯門，研制可編程的通用量子計算原型機。

陸朝陽介紹，與“懸鈴木”相比，“九章”具有運算速度更快、環(huán)境適應性更強、克服技術漏洞這三大優(yōu)勢。“懸鈴木”只有在小樣本的情況下快于超級計算機，“九章”則在小樣本和大樣本上都超過了超級計算機，“好比賽跑，谷歌的機器短跑能跑贏超級計算機，長跑跑不贏;我們的機器短跑、長跑都能跑贏。”

“九章”的誕生，是否意味著我國在“量子爭霸”上已經取得勝利？人類是否馬上就要進入量子計算的時代？我們可以用它來做些什么？

潘建偉團隊透露，盡管“九章”的算力快得驚人，但它只是在量子計算第一階段樹起了一座里程碑，未來的路還很長。

在人們對算力需求指數(shù)級增長的時代，量子計算機已然成為世界前沿的兵家必爭之地。最近美國公布了量子計算領域的最新計劃，英國、歐盟、日本等國家和地區(qū)也早有相應規(guī)劃。我國“九章”的研制成功，不僅取得了“量子優(yōu)越性”的里程碑式進展，也為第二步——解決若干超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題提供了潛在的前景。

眼下，無論是谷歌的“懸鈴木”處理“隨機線路取樣”，還是“九章”求解“高斯玻色取樣”，都只能用來解決某一個特定問題。潘建偉解釋，這是因為目前可用來搭建量子計算機的材料有限，只能“就食材做菜”，未來量子計算機的突破，更有可能依賴于新材料在量子計算硬件上的創(chuàng)新。“這不是一個一蹴而就的工作，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。”潘建偉說。

潘建偉透露，在“九章”的基礎上，他們將通過提高量子比特的操縱精度等一系列技術攻關，力爭盡早研制出可編程的通用量子計算原型機。“希望能夠通過15年到20年的努力，研制出通用的量子計算機，用以解決一些應用非常廣泛的問題，比如密碼分析、氣象預報、藥物設計等，同時也可以用于進一步探索物理學、化學、生物學領域的一些復雜問題。”