里程碑式突破！“九章”量子计算原型机三大厉害之处
点击： 作者：综合 来源：昆仑策网【综合】 发布时间:2020-12-05 20:26:02
12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。
“量子优越性像个门槛，是指当新生的量子计算原型机，在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明其未来有多方超越的可能。”中科大教授陆朝阳说，多年来国际学界高度关注、期待这个里程碑式转折点到来。
去年9月，美国谷歌公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学算法的计算只需200秒，而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需2天，实现了“量子优越性”。
“九章”量子计算机三大厉害之处
《九章算术》是中国古代张苍、耿寿昌所撰写的一部数学专著。是《算经十书》中最重要的一部，著成于公元一世纪左右。
《九章算术》内容十分丰富，本书总结了战国、秦、汉时期的数学成就。《九章算术》在数学上拥有极为独到的成就，不仅最早提到分数问题，也首先记录了盈不足等问题。
《方程》章还在世界数学史上首次阐述了负数及其加减运算法则。因此，它是一本综合性的历史著作，是当时世界上最简练有效的应用数学，它的出现标志中国古代数学形成了完整的体系。
《九章算术》是世界上最早系统叙述了分数运算的著作;其中盈不足的算法更是一项令人惊奇的创造;"方程"章还在世界数学史上首次阐述了负数及其加减运算法则。在代数方面，《九章算术》在世界数学史上最早提出负数概念及正负数加减法法则。
关于”九章“量子计算机，潘建伟介绍，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》。可见，所谓”九章“，就是纪念《九章算数》的量子计算机。
厉害之处之一：“九章”创造了全球最快的取样速度。这个量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前全球最快的超级计算机快一百万亿倍！惊人之处在于“九章”量子计算机在一分钟内计算（相当于工作量），超级计算机则需要工作一亿年。
基于此，”九章”比世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。
假如和谷歌的53个超导比特量子计算原型机相比，九章比它快一百亿倍。因此，九章的是一个重要的科技成果，是我国量子计算研究的首个里程碑。
所谓”富岳“是日本的超级计算机。据日本共同社报道，日本理化学研究所曾经称，日本计算机科学研究中心的超级计算机“富岳”在性能排名4个单元中继2020年6月夺冠后再夺世界第一。超级计算机连续两次夺得“4项冠军”尚属首次。
富岳的计算速度达到每秒44.201亿亿次，曾经是排名第二的美国“顶点”（达到14.86亿亿次）的3倍。
量子计算优越性，也被称为“量子霸权”。量子计算机的工作原理具有超快的并行计算能力，它往往通过特定算法，在一些具有重大社会和经济价值的问题方面起到非常重要作用，比如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等，因此，相比经典计算机而言，它能够实现指数级别的加速。
如果经典计算机是普通的跑者，那么九章量子计算机相当于跑中之王，世界纪录创作者。
量子计算机的研制，成为全球科技尖端技术的最大挑战之一，更成为世界各国及欧美发达国家角逐的目标。
厉害之处之二：“九章”存储容量突破“世界纪录”。“九章”克服了谷歌53比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。值得一提的是，“九章”输出量子态空间规模竟然达到了1030！相比“悬铃木”，其输出量子态空间规模是1016，而全球目前的存储容量则是1022。
因此，这一个重大成果让中国世界量子计算研究中，牢牢处于的第一集团地位。还有，依赖于“九章号”量子计算原型机的高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用，是未来重要发展目标。
厉害之处之三：逼近了“量子计算优越性”。中国在光量子信息处理方面一直处于全球领先水平。
1）2017年，该团队构建了世界首台超越早期经典计算机(ENIAC)的光量子计算原型机。
2）2019年，团队再研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，并实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，输出复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，逼近了“量子计算优越性”。
量子计算机的研究公认的三个重要的标志性阶段：
第一阶段：高效求解。发展具备50-100个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。
第二阶段：研制量子模拟机。通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题(如量子化学、新材料设计、优化算法等)。
第三阶段：研制可编程量子原型机。通过积累在专用量子计算与模拟机的研制过程中发展起来的各种技术，提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值(>99.9%)，大幅度提高可集成的量子比特数目(百万量级)，实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。
中国的量子之父—潘建伟及团队
潘建伟，浙江省东阳市人。中国科学技术大学教授、博士生导师，中国科学院院士。九三学社第十二届中央委员会委员。
现任中国科学技术大学常务副校长，为第五届中国青年科技工作者协会会长。中科院量子科学实验卫星先导专项首席科学家。中国科学技术大学量子隐形传态研究项目组主持人。
2017年获得2016年感动中国人物称号。2017年9月9日获得第二届未来科学大奖获“物质科学奖”。2017年12月19日，潘建伟入选《自然》2017十大科学人物、获称“量子之父”。
值得一提的是，在第四届世界互联网大会上，在世界互联网领先科技成果发布活动上，中国科大潘建伟团队构建的光量子计算机原型机成功入选18项世界互联网领先科技成果。
会议发布称，光量子计算机原型机在“玻色取样”速度方面比国际同行加快至少24000倍，和经典算法比较，也比人类第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机运行速度快10倍至100倍，是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机。
量子计算机具有极为重要的应用，它可以用来解决密码破译、大数据分析等问题。实现超越经典计算能力的量子计算被国际学术界称为“量子称霸”。
当时由44名海内外知名专家组成的推荐委员会投票选出18项成果。除光量子计算机原型机外，其余17项成果包括华为3GPP 5G预商用系统、ARM安全架构、微软人工智能小冰、北斗卫星导航系统、高通5G芯片组实现的全球首个5G数据链接、还有基于“神威·太湖之光”超级计算机系统的重大应用成果：比如特斯拉垂直整合能源解决方案、滴滴基于大数据的新一代移动出行平台、摩拜无桩智能共享单车、阿里巴巴ET大脑、百度DuerOS、亚马逊AWS GreenGrass、苹果AR、腾讯人工智能开放平台、Watson健康助力“健康中国”、下一代互联网关键技术IPV6、机器触觉。
潘建伟的科学成就
潘建伟是国际上量子信息实验研究领域开拓者之一，他是该领域有重要国际影响力的科学家，并取得了一系列有重要意义的研究成果。
比如首次实验实现量子隐形传态及纠缠交换、终端开放的量子隐形传态、复合系统量子隐形传态、16公里自由空间量子隐形传态。
再比如首次实现三、四、五、六、八光子纠缠。首次实验验证GHZ定理。
1）提出利用现有技术可实现的量子纠缠纯化方案，并完成实验实现。实现突破大气等效厚度的量子纠缠和量子密钥分发。先后实现绝对安全距离超过100公里和200公里的量子密钥分发及全通型量子通信网络。
2）提出基于冷原子量子存储的高效量子中继器方案，并完成实验实现。利用冷原子系统实现高品质的单光子和纠缠光子的量子存储。利用多光子纠缠实现重要的量子算法和突破经典极限的高精度测量。实现任意子分数统计的量子模拟。
潘建伟的有关实现量子隐形传态的研究成果入选《科学》杂志"年度十大科技进展"，并同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起被《自然》杂志选为"百年物理学21篇经典论文"。
潘建伟的研究成果曾6次入选两院院士评选的"中国年度十大科技进展新闻" 、3次入选教育部评选的"年度中国高校十大科技进展"、3次入选科技部评选的"年度中国基础研究十大新闻"、5次入选欧洲物理学会评选的"年度物理学重大进展"、4次入选美国物理学会评选的"年度物理学重大事件"。
由于潘建伟及其同事在量子信息实验领域的系统性工作，他被重要综述杂志Phys. Rep.和Rev. Mod. Phys.邀请撰写有关量子通信和多光子纠缠操纵的实验综述论文，后者是中国大陆科学家在该刊发表的第一篇实验综述论文。
他曾获求是杰出科学家奖、中国青年科学家奖、中国科学院杰出科技成就奖、奥地利科学院Erich Schmid奖、欧洲物理学会菲涅尔奖等奖励，2013年何梁何利最高奖"科学与技术成就奖"。
重要评价
九三学社：潘建伟在量子通信、量子计算以及多光子纠缠操纵等量子信息实验领域中做出的杰出贡献。
英国《新科学家》评价：英国著名的科学新闻杂志《新科学家》以封面标题的形式，对潘建伟科大团队进行这样的评价：“中国科大-因而也是整个中国-已经牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地。
欧洲量子通信泰斗、日内瓦大学教授、瑞士IDQuantique公司创始人尼古拉斯·吉森对第一财经记者表示：“中国在量子通信方面的技术非常领先，但是在量子计算机和量子芯片等领域还有进一步提升的空间。”
英特尔量子硬件部门总监Jim Clarke曾经表示：“量子可能是未来100年最重要的计算机技术，就好像宇宙空间科学一样，它的研究可能要通过一代人的努力才能进步一点点。”
”九章“功臣现身说法
中国科学技术大学教授陆朝阳说：”九章“采取了由76个光子输出，然后在100×100的这样一个目前世界上最大尺度的这样一个干涉仪里面进行干涉，那么干涉的过程其实也是我们计完成计算的这样一个过程。
九章量子计算机是利用量子力学的原理，量子力学它可以允许一个物体同时处于多种状态，那么比如说0和1同时存在，它可以做一个原理上叫做并行计算，就是很多个任务可以一起完成，因此它就有了这样一种超越经典计算机的计算能力。
中国科学院院士潘建伟说：在我们的量子计算里面，第一个里程碑性的目标就是要来展示量子计算的优越性。我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，可以比目前最快的超算能够快10的14次方倍，就相当于我这里算一分钟的东西，用“富岳号”拿来算的话，要算一亿年它才能把这个事情给算完，这就是叫做量子优越性。
就是我总算可以演示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。
美国麻省理工学院教授德克英格伦评价说：我认为这是一个了不起的成就，这是开发这些中型量子计算机的一个里程碑。
奥地利科学院院长及美国科学院院士安东蔡林格评价说：这项工作成果很重要，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。我相信有朝一日量子计算机会被广泛使用，甚至每个人都可以使用。
（来源：“中国科学技术大学”微信公号、新华社、“人民日报”微信公号、www.toutiao.com；图片来自网络，侵删）
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