在一個(gè)特定賽道上，200秒的“量子算力”，相當(dāng)于目前“最強(qiáng)超算”6億年的計(jì)算能力！12月4日，《科學(xué)》雜志公布了中國“九章”的重大突破。
這臺(tái)由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等學(xué)者研制的76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)，推動(dòng)全球量子計(jì)算的前沿研究達(dá)到一個(gè)新高度。盡管距離實(shí)際應(yīng)用仍有漫漫長(zhǎng)路，但成功實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算優(yōu)越性”的里程碑式突破。
“九章”優(yōu)勝在何處？里程碑式跨越如何實(shí)現(xiàn)？“算力革命”走向何方？記者就這些問題采訪了潘建偉團(tuán)隊(duì)。
算力新高度技術(shù)三優(yōu)勢(shì)
“量子優(yōu)越性”——橫亙?cè)诹孔佑?jì)算研究之路上的第一道難關(guān)。
這是一個(gè)科學(xué)術(shù)語：作為新生事物的量子計(jì)算機(jī)，一旦在某個(gè)問題上的計(jì)算能力超過了最強(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，跨過了未來多方面超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的門檻。
多年來，國際學(xué)界一直高度關(guān)注、期待這個(gè)里程碑式轉(zhuǎn)折點(diǎn)到來。
去年9月，美國谷歌公司宣布研制出53個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)“懸鈴木”，對(duì)一個(gè)數(shù)學(xué)問題的計(jì)算只需200秒，而當(dāng)時(shí)世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂峰”需要2天，因此他們?cè)谌蚴状螌?shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。
近期，中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。
“取名‘九章’，是為了紀(jì)念中國古代著名數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。”潘建偉說。
實(shí)驗(yàn)顯示，“九章”對(duì)經(jīng)典數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣的計(jì)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(gè)實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。
高斯玻色取樣是一個(gè)計(jì)算概率分布的算法，可用于編碼和求解多種問題。當(dāng)求解5000萬個(gè)樣本的高斯玻色取樣問題時(shí)，“九章”需200秒，而目前世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”需6億年；當(dāng)求解100億個(gè)樣本時(shí)，“九章”需10小時(shí)，“富岳”需1200億年。
潘建偉團(tuán)隊(duì)表示，相比“懸鈴木”，“九章”有三大優(yōu)勢(shì)：一是速度更快。雖然算的不是同一個(gè)數(shù)學(xué)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(huán)境適應(yīng)性。“懸鈴木”需要零下273.12攝氏度的運(yùn)行環(huán)境，而“九章”除了探測(cè)部分需要零下269.12攝氏度的環(huán)境外，其他部分可以在室溫下運(yùn)行。三是彌補(bǔ)了技術(shù)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(gè)比方，就是谷歌的機(jī)器短跑可以跑贏超算，長(zhǎng)跑跑不贏；我們的機(jī)器短跑和長(zhǎng)跑都能跑贏。”他們說。
20年努力攻克三大技術(shù)難關(guān)
對(duì)于“九章”的突破，《科學(xué)》雜志審稿人評(píng)價(jià)這是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”“一個(gè)重大成就”。
多位國際知名專家也給予高度評(píng)價(jià)。“這是量子領(lǐng)域的重大突破，朝著研制比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更有優(yōu)勢(shì)的量子設(shè)備邁出一大步！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(zhǎng)伊格納西奧·西拉克說。
美國麻省理工學(xué)院教授德克·英格倫認(rèn)為，這是“一項(xiàng)了不起的成就”“一個(gè)劃時(shí)代的成果”。
加拿大卡爾加里大學(xué)量子研究所所長(zhǎng)巴里·桑德斯說，毫無疑問，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)器的模擬能力。
據(jù)了解，潘建偉團(tuán)隊(duì)這次突破歷經(jīng)了20年努力，從2001年開始組建實(shí)驗(yàn)室，他們?cè)啻嗡⑿铝孔蛹m纏數(shù)量的世界紀(jì)錄。“九章”的突破，主要攻克了三大技術(shù)難關(guān)：高品質(zhì)量子光源、高精度鎖相技術(shù)、規(guī)模化干涉技術(shù)。
其中的高品質(zhì)量子光源，是目前國際上唯一同時(shí)具備高效率、高全同性、高亮度和大規(guī)模擴(kuò)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(gè)水分子非常困難。”中科大教授陸朝陽說，高品質(zhì)光源要保證每次只“放出”1個(gè)光子，且每個(gè)光子要一模一樣，這是巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)，鎖相精度要控制在10的負(fù)9次方以內(nèi)，相當(dāng)于傳輸一百公里距離，偏差不能超過一根頭發(fā)絲的直徑。
此外，為了核驗(yàn)“九章”算得“準(zhǔn)不準(zhǔn)”，他們用超算同步驗(yàn)證。“10個(gè)、20個(gè)光子的時(shí)候，結(jié)果都能對(duì)得上，到40個(gè)光子的時(shí)候超算就比較吃力了，而‘九章’一直算到了76個(gè)光子。”陸朝陽說，另一方面，超算的耗電量太大，計(jì)算40個(gè)光子時(shí)需要電費(fèi)200萬元，41個(gè)光子需要400萬元，42個(gè)光子需要800萬元，推算下去將是天文數(shù)字。
“算力革命”躍馬人類未來
當(dāng)前，量子計(jì)算已成為全球各國競(jìng)相角逐的焦點(diǎn)。比如近期，歐盟宣布擬投資80億歐元，研究量子計(jì)算等新一代算力技術(shù)。
“量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，可望通過特定算法在密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、天氣預(yù)報(bào)、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等領(lǐng)域，提供比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更強(qiáng)的算力支持。”潘建偉說。
據(jù)了解，國際主流觀點(diǎn)認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展將有三個(gè)階段：
第一階段，研制50個(gè)到100個(gè)量子比特的專用量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”里程碑式突破。
第二階段，研制可操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，解決一些超級(jí)計(jì)算機(jī)無法勝任、具有重大實(shí)用價(jià)值的問題，比如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等。
第三階段，大幅提高量子比特的操縱精度、集成數(shù)量和容錯(cuò)能力，研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。
目前，“九章”還處在第一階段，但在圖論、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。
潘建偉團(tuán)隊(duì)表示，“量子優(yōu)越性”實(shí)驗(yàn)并非一蹴而就的工作，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)，但最終量子計(jì)算機(jī)會(huì)產(chǎn)生傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法企及的算力。下一步，他們將在光子、超導(dǎo)、冷原子等多條技術(shù)線路上推進(jìn)研究。
“我對(duì)量子計(jì)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(xué)院院長(zhǎng)、美國科學(xué)院院士安東·塞林格預(yù)測(cè)，很有可能有朝一日量子計(jì)算機(jī)會(huì)被廣泛推廣，“每個(gè)人都可以使用”。
