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深读·新知 | 揭开“九章”神秘面纱

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。这台量子计算原型机,推动全球量子计算的前沿研究达到一个新高度,使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

 

“九章”优胜在何处?“算力革命”走向何方?很多人在惊叹这一重大科研成果的同时,也希望更进一步了解其中的原理、成果的意义、量子计算机的应用前景。

●什么是量子计算机

量子计算机是计算机吗?

首先,用一句话来概括什么是量子计算机:量子计算机是一种使用量子力学的计算机,它能比普通计算机更高效地执行某些特定的计算。

光量子干涉示意图。新华社发

 

所以说,量子计算机是一种计算机,但它不是简单的“进阶版”计算机。量子计算机和我们现在所理解的“电脑”差别很大,它是以量子状态作为计算形式的。

“目前的量子计算机使用的是如原子、离子、光子等物理系统,不同类型的量子计算机使用的是不同的粒子,这次的‘九章’使用的是光子。”河北大学物理科学与技术学院副教授肖勇说。

200秒只是短短一瞬,6亿年早已是沧海桑田。

“九章”量子计算机是如何通过量子计算达到“超快”的计算速度的?

我们日常用的电脑,不管是屏幕上的图像还是输入的汉字,这些信息在硬件电路里都会转换成1和0(在电路中则表达为“开”和“关”),再进行传输、运算与存储。正是因为这种0和1的“计算”过程,电脑才被称为“计算机”。

“传统计算机只有0或1两种选择,而量子计算机使用的粒子则能够同时处于多种状态。”肖勇介绍,以光子为例,光除了亮与灭,其本身有着不同的偏振态,这种偏振态可以表示除了0与1之外的多组信息,量子计算机因而能够同时承载更多内容。普通的计算机单元一次只能处理一个数据,称之为1个比特;量子计算机则可以一次处理1个“量子比特”,这不仅是0和1的状态,而是一种叠加态,可以简单认为这是包含了多个数据,从而使处理速度大大提升。“简单来说,量子计算机每个单位储存的信息更多。”

当然,量子计算机不光有强大的储存能力,它的并行计算的能力也十分强大。

专家举例,假设有一个黑盒子,左边伸出1000根电线头,右边也伸出1000根电线头,但其实只有1根电线是连通的,想要找到这根连通的电线,就需要尝试1000×1000次,也就是要100万次才能找到答案。

但如果用量子计算机,解决这个问题就简单多了。

“量子比特的存储是所有可能的数字叠加在一起存储的。那么从1到1000,其实就只是一组量子比特而已。”专家解释,也就是说,只需要一次计算,量子计算机就可以同时把所有的可能都考虑进去。它能一次性地找到那根连通的电线,通过并行计算,实现了100万倍的效率提升。

因此,在某些问题上,量子计算机有更大的优势。“比如,上学的时候我们学过质因数分解,就像6可以分解为2和3两个质数;但如果数字很大,质因数分解就是一个很难的数学问题。1994年,为了分解一个129位的大数,科学家同时动用了1600台高端计算机,花了8个月的时间才分解成功。”肖勇说,而量子计算机理论上只需1秒钟就可以破解。

那么,量子计算机需要像普通计算机一样安装系统吗?

中国科学技术大学林梅教授曾在公开报道中介绍,量子计算机本身就是一套“系统”,独立的光学组件提供了硬件,复杂的光路结构则决定了它的“算法”。例如,以光子作为量子比特的量子计算机,需要能够产生光子的单光子源,能够改变光子状态、完成“算法”的特定光路结构,还需要单光子探测器对光子的最终状态进行观测。

据了解,对于量子计算机的控制,仍然需要通过普通电脑进行信息的输入和输出。工作人员需要在普通电脑上输入初始数据,数据在量子计算机控制系统中进行复杂的转换和运算,最后得到的结果会再传输回工作人员的普通电脑上。

“九章”攻擂“悬铃木”

“九章”的厉害之处在哪儿?

2019年,谷歌宣布率先实现“量子霸权”。根据谷歌的论文,该团队将其量子计算机命名为“悬铃木”,处理的问题大致可以理解为“判断一个量子随机数发生器是否真的随机”。

“悬铃木”包含53个量子比特的芯片,仅需花200秒就能对一个量子线路取样一百万次,而相同的运算量在当今世界最大的超级计算机Summit上则需要1万年才能完成。

200秒之于一万年,如果这是双方的最佳表现,那意味着量子计算对于超级计算具有压倒性优势。因此,这项工作也被认为是人类历史上首次在实验环境中验证了量子优越性,具有里程碑意义。

何为量子优越性?肖勇表示,如果量子计算原型机,在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机,就证明量子计算在未来有多方超越的可能。通俗来讲,就是用极端复杂的问题来考验量子计算,让它在实际应用中证明自己的实力。多年来,国际学界一直高度关注。

而“九章”让中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家,并且在“悬铃木”的基础上又更进了一步。

之所以这么说,是因为“悬铃木”量子优越性的实现是有前提的——它依赖其样本数量。

“虽然采集100万个样本时,‘悬铃木’仅需要200秒,量子计算相比于超级计算机有优越性。但如果采集100亿个样本的话,经典计算机就比‘悬铃木’快很多。”有专家表示,在这样的条件下,量子计算就会丧失优越性。

“悬铃木”针对的是一种叫作“随机线路采样(Random Circuit Sampling)”的任务,而很长一段时间里,量子计算机的优越性都只针对特定任务。

“一般来说,选取这种特定任务的时候,需要经过精心考量,该任务最好比较适合已有的量子体系,同时对于经典计算来说很难模拟。”专家说,这意味着,量子计算机并不是对所有的问题都超过经典计算机,而是只对某些特定的问题超过经典计算机,因其对这些特定的问题设计出高效的量子算法。对于没有量子算法的问题,量子计算机则不具有优势。

而这也是“九章”创造性突破所在。

“九章”所解决的高斯玻色采样问题,其量子计算优越性不依赖于样本数量。从等效速度来看,“九章”在同样的赛道上,比“悬铃木”还快了一百亿倍。“九章”二次演示的“量子霸权”不仅证明了原理,更有迹象表明,“高斯玻色取样”可能有实际用途,例如解决量子化学和数学领域中的专门问题。更广泛地说,掌握控制作为量子比特的光子的能力是构建任何大规模量子互联网的先决条件。

此外,在态空间方面,“九章”也以输出量子态空间规模达到1030的优势远远优于“悬铃木”。“‘九章’的出色表现,让我国在国际量子计算研究中进入第一方阵,是量子计算领域的一个重大成就。”肖勇表示。

距离实用还有多远

量子计算机能不能处理有实用价值的问题?答案是:能。

“例如之前提到的因数分解,因数分解的困难性是现在最常用的密码体系RSA的基础,所以量子计算机能快速进行因数分解,也就意味着量子计算机能快速破解密码。”但肖勇也表示,现有的量子计算机只能分解很小的数,还不足以破解实用的密码。

目前,国际主流观点认为,量子计算机的发展将有三个阶段:第一阶段,研制50个到100个量子比特的专用量子计算机,实现“量子优越性”里程碑式突破。第二阶段,研制可操纵数百个量子比特的量子模拟机,解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题,比如量子化学、新材料设计、优化算法等。第三阶段,大幅提高量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力,研制可编程的通用量子计算原型机。

“九章”还处在第一阶段,但在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用价值。“展望未来,如果通用量子计算机得到了广泛应用,那么各个行业——医疗、农业生产、工业生产、人工智能,整个社会方方面面都会受到量子技术的影响。”肖勇说。

医疗方面,生产新药物的速度会大大提高。肖勇解释,这是因为新药制造需要计算机模拟哪个配方是最有效的,使用电子计算机模拟非常慢,但量子计算机很快就能计算出来。

人工智能方面,无人驾驶汽车传感器处理的速度会更快,性能也会提高。

农业方面,量子计算机问世后,可以解释光合作用是怎么回事。有科学家预言,如果这个应用研究成功了,太阳能的利用率会从现有的10%提高到20%—30%,农业会发生跳跃式发展。

“在初级阶段,量子计算追求的是原理上的可行、实验上的实现、计算效率的超越。这个阶段的量子计算,可能就像1814年的火车,和1903年的飞机一样,那时候火车连马车的速度都赶不上,飞机只能在天上坚持飞1分钟,但是它们的科学意义远远大于其实用价值。”肖勇说,不管量子计算机现在有多么初级,总有一天,它会像曾经的火车和飞机一样,一步一步向我们走来。也许将来,我们能够用光学实现真正强大的量子计算机,也就是可编程的、能处理很多有实用价值问题的量子计算机。(河北日报记者王璐丹)

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