潘建伟、陆朝阳团队实现量子优越性:原型机「九章」登上Science,速度超谷歌百亿倍

近日,中国科学技术大学潘建伟研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作,成功构建了 76 个光子 100 个模式的高斯玻色取样量子计算原型机「九章」,其处理特定问题的速度比目前最快的超级计算机「富岳」快了一百万亿倍,同时也等效地比谷歌去年发布的 53 比特量子计算原型机「Sycamore」快一百亿倍。

这一成果使我国实现了量子计算的第一个里程碑——量子计算优越性,相关论文登上了国际顶级期刊《Science》杂志。
论文链接:https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770

量子优越性是指量子计算拥有的超越所有经典计算机的计算能力,即可以解决经典计算机不能解决的问题或比经典计算机有显著的加速(一般是指数加速)。

为什么量子计算机如此之快?中国科学技术大学教授陆朝阳介绍说,传统计算机将所有数据存储为 1 或 0,但量子计算机是利用量子力学的原理,可以允许一个物体同时处于多种状态,比如说 0 和 1 同时存在,原理上叫做「并行计算」,很多任务可以一起完成。正是因为具有超快的并行计算能力,量子计算可望通过特定算法实现指数级别的加速。

中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟介绍说,量子优越性的实现是量子计算研究的第一个里程碑性目标。为了实现这一目标,他们在高斯波色采样实验当中构建了一个量子计算的原型机,比目前最快的超算快 10 的 14 次方倍。

我国科学家最新研制成功的量子计算原型机。

10 的 14 次方倍是什么概念?潘建伟给出了一个形象的解释:「就相当于我这里算一分钟的东西,用『富岳号』拿来算的话,要算一亿年才能算完,这就叫做量子优越性。」这意味着,「我们总算可以演示(量子计算机的)某个功能比传统的超级计算机算得好了,这样的话我们就可以进一步地去寻找各种各样的应用。」

潘建伟还介绍称,他们将实现量子计算优越性的这台量子原型机命名为「九章」,是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。「九章」初步展示了量子计算的强大算力,确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位,为未来实现规模化量子模拟机奠定了技术基础。

在应用方面,潘建伟表示,「我们将把它初步用于量子化学、图论组合数学的一些研究,甚至也可以用于一些机器学习的研究」

在「九章」量子原型机的基础上,研究团队将通过提高量子比特的操纵精度等一系列技术攻关,力争尽早研制出可编程的通用量子计算原型机。

「希望通过 15 年到 20 年的努力,研制出通用的量子计算机,这样它就可以用来解决很多非常广泛的问题。」潘建伟说道。随着计算能力的进一步提升,量子计算机将有望在密码破译、材料设计、药物分析等具有实用价值的领域发挥重要作用。

基于光子的量子计算机也能实现量子计算优越性

一直以来,高校和企业实验室都在量子优越性方面保持竞争。去年,谷歌推出 54 个量子比特的计算机「Sycamore」,宣布实现量子优越性。在世界第一超算需要计算 1 万年的实验中,量子计算机只用了 3 分 20 秒。

量子计算机被认为能够完成一些经典计算机难以完成的任务,玻色采样也属于此类任务,它是一种针对光子(玻色子)系统的量子优越性测试案例。理论上,经典计算机求解玻色采样需要指数量级计算时间,而量子计算只需要多项式量级计算时间。与此同时,相比通用量子计算,玻色采样更容易实现。

中科大的潘建伟、陆朝阳研究团队将 50 个全同单模压缩态输入 100 模式超低损耗干涉线路,利用 100 个高效单光子探测器进行高斯玻色采样,输出态空间维度达到了 10 的 30 次方,采样速率比当前最先进的超级计算机要快上 10 的 14 次方 (百万亿) 倍。

实验结果显示,当求解 5000 万个样本的高斯玻色取样时,「九章」需 200 秒,而目前世界最快的超级计算机「富岳」需 6 亿年。等效来看,「九章」的计算速度比「Sycamore」快 100 亿倍,并弥补了「Sycamore」依赖样本数量的技术漏洞。

「九章」量子计算原型机光路系统原理图。

此外,在计算玻色采样问题时,「九章」可以在室温条件下运行(除光子探测部分需 4K 低温),而谷歌的「Sycamore」实现量子优越性时必须全程在 - 273.12℃(30mK)的超低温环境下运行。

据了解,研究团队的这次突破前后历经 20 年时间,主要攻克高品质光子源、高精度锁相、规模化干涉三大技术难题。 

加拿大量子计算初创公司 Xanadu 首席执行官 Christian Weedbrook 表示,与谷歌的 Sycamore 相比,九章目前是不可编程的,因此在这一点上「不能用于解决实际问题」。

目前「九章」与通用计算机相比还只是「单项冠军」,但在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用价值。Weedbrook 补充说:「光子量子计算的起步时间比其他方法要晚,但可能超越其他方法。」

「九章」原型机的诞生在国际学术界也引起了广泛关注。

伦敦帝国理工学院的物理学家 Ian Walmsley 表示:「这无疑是一个杰出的实验,一个重要的里程碑。」

麻省理工学院教授、美国青年科学家总统奖得主德克 · 英格伦评价说,「这是开发这些中型量子计算机的一个里程碑」。奥地利科学院院长、美国科学院院士安东 · 蔡林格评价说,「这项成果很重要,证明了基于光子的量子计算机也可能实现量子计算优越性」。

高斯玻色采样的共同提出者亚伦森表示,尽管谷歌的团队去年已经实现 「量子霸权」,但这个概念非常重要,需要多个团队用多种技术重复去证实,因此他非常高兴看到这次的成果。

团队介绍

左:陆朝阳;右:潘建伟。

潘建伟团队一直是国内量子研究领域的领导者。由潘建伟团队研发的墨子号量子科学实验卫星是中科院空间科学战略性先导科技专项于 2011 年首批确定的五颗科学实验卫星之一。2017 年,利用“墨子号”,潘建伟团队将量子纠缠分发的距离再提高一个量级,达到 1200 公里。
潘建伟 1999 年获奥地利维也纳大学实验物理博士学位,是中国科学技术大学教授、中国科学院院士、中科院量子信息与量子科技创新研究院院长、中科院量子科学实验卫星先导专项首席科学家,主要从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验等方面的研究。

作为国际上量子信息实验研究领域的开拓者之一,他是该领域有重要国际影响力的科学家。利用量子光学手段,他在量子调控领域取得了一系列有重要意义的研究成果,尤其是他关于量子通信和多光子纠缠操纵的系统性创新工作使得量子信息实验研究成为近年来物理学发展最迅速的方向之一。

潘建伟教授的研究成果曾多次入选 Nature 杂志评选的年度重大科学事件、美国 Science 杂志评选的「年度十大科技进展」、英国物理学会评选的「年度物理学重大进展」、美国物理学会评选的「年度物理学重大事件」以及两院院士评选的「中国年度十大科技进展新闻」。
「九章」的主要研究者之一陆朝阳博士,毕业于剑桥大学物理系,是中国科学技术大学教授。2011 年,陆朝阳入选剑桥大学丘吉尔学院 Fellow,2012 年获得首批国家自然科学优秀青年基金,2014 年获得香港求是杰出青年学者奖,2015 年获得国家杰出青年科学基金、国家自然科学一等奖,2016 年被《自然》评为「中国科学之星」,并入选美国光学学会会士,2017 年获得中国青年五四奖章、欧洲物理学会菲涅尔奖、TR35 中国科技创新青年,2018 年获得中科院青年科学家奖,入选万人计划领军人才,2019 年获得中国物理学会黄昆半导体物理奖、科学探索奖、仁科芳雄亚洲奖、国际应用和纯物理协会(IUPAP-ICO)光学青年科学家奖。

2020 年,陆朝阳被授予美国光学学会颁发的阿道夫隆奖章(Adolph Lomb Medal),这是该奖章设立 80 年来中国科学家获奖。10 月,陆朝阳获得美国物理学会授予的 2021 年度罗夫 · 兰道尔和查尔斯 · 本内特量子计算奖

参考链接:
http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73418.htm
http://news.cctv.com/2020/12/04/ARTIQWnwvPMotOYsHOmnXxgS201204.shtml
https://www.nature.com/articles/d41586-020-03434-7
https://mp.weixin.qq.com/s/RJhYEnfVfiN465ekqpCh_g
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/9/445318.shtm
http://dsxt.ustc.edu.cn/zj_js.asp?zzid=2788
https://quantum.ustc.edu.cn/web/node/32
http://news.ifeng.com/c/81udyc7BfiH

理论潘建伟Science量子计算陆朝阳
相关数据
量子力学技术

量子力学(Quantum Mechanics),为物理学理论,是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支,主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论。

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