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2021年12月04日
【解放軍報】量子計算機進入2.0時代

“九章(zhang)二號”144模式干(gan)涉儀(yi)(部分)實(shi)驗照片。

據報道,2021年(nian)10月,我(wo)國量(liang)子計算領域雙(shuang)喜臨門:“祖沖(chong)之號(hao)”和(he)“九章(zhang)”的(de)2.0升(sheng)級版——“祖沖(chong)之二(er)號(hao)”“九章(zhang)二(er)號(hao)”均成功構建(jian)。

“祖沖(chong)之二(er)(er)號”構建了(le)66比特可(ke)編程(cheng)(cheng)超(chao)導(dao)(dao)量子(zi)計算(suan)(suan)原型(xing)機。“九章(zhang)二(er)(er)號”則(ze)再(zai)次刷新國際光量子(zi)操(cao)縱的(de)技術水平,處理(li)特定問題比目前全(quan)球最快的(de)超(chao)級(ji)計算(suan)(suan)機快10的(de)24次方(fang)倍(bei)。這意味著,我(wo)國已成為世界(jie)上(shang)唯一(yi)在超(chao)導(dao)(dao)量子(zi)和光量子(zi)兩種體系(xi)下達(da)到(dao)“量子(zi)優越性”里程(cheng)(cheng)碑的(de)國家。

幾十年間,量子計算(suan)機一(yi)步(bu)步(bu)從科學家(jia)的(de)(de)大(da)膽構想(xiang)中走(zou)向(xiang)現實(shi)。這一(yi)路經歷了(le)(le)怎(zen)樣的(de)(de)曲折過程?世界上至今有(you)哪些量子計算(suan)機?“祖沖之號(hao)”和“九章”的(de)(de)2.0版實(shi)現了(le)(le)怎(zen)樣技術(shu)升級?請看本期解讀。

道阻且長,行則將至

1981年(nian),諾貝爾物理(li)學獎得主(zhu)理(li)查德·費曼提出了(le)兩個富(fu)有洞察力的問題(ti):經典(dian)計(ji)算機是否(fou)能有效(xiao)模擬量子(zi)系統(tong)(tong)?舍(she)棄經典(dian)的圖(tu)靈機模型而利用具有奇特性質的量子(zi)材(cai)料(liao),能否(fou)構建模擬量子(zi)系統(tong)(tong)的計(ji)算機?

這是人類首次提(ti)出量(liang)子計(ji)算(suan)機概念。量(liang)子計(ji)算(suan)機的時代帷幕(mu)也由此拉(la)開。

量子計算(suan)意義(yi)深遠,因為它開(kai)啟了(le)一(yi)種全新的(de)計算(suan)模式。古希臘(la)數(shu)學(xue)家畢達哥拉(la)斯說,任何事情都可(ke)用(yong)數(shu)來(lai)代表。也(ye)就是說,任何問題都可(ke)變成一(yi)個(ge)函數(shu)計算(suan):輸(shu)(shu)入一(yi)個(ge)數(shu),通過一(yi)個(ge)模型演化運算(suan),再輸(shu)(shu)出一(yi)個(ge)數(shu)。

這(zhe)個模型就(jiu)像一個黑匣子,利(li)用(yong)經典力學時(shi)就(jiu)是我們現在(zai)正在(zai)使用(yong)的經典圖靈機(ji),利(li)用(yong)量(liang)子力學時(shi)就(jiu)是全(quan)新的量(liang)子計算機(ji)。

一個標準的量(liang)(liang)子計(ji)(ji)算機,通常(chang)需要具備3個基(ji)本模塊:一是軟件系統,即量(liang)(liang)子算法;二是量(liang)(liang)子信(xin)息控(kong)制系統,即量(liang)(liang)子電路,用(yong)來確保(bao)量(liang)(liang)子計(ji)(ji)算中可(ke)靠的底層信(xin)息處(chu)理,這相當于操作系統和編程(cheng);三(san)是硬(ying)件體系。

三者(zhe)中首先取得重大(da)突破(po)(po)的(de)(de)是量(liang)(liang)子算法(fa)(fa)。影響(xiang)最大(da)的(de)(de)有(you)兩種(zhong)算法(fa)(fa):一(yi)(yi)(yi)種(zhong)是誕生于1994年(nian)的(de)(de)舒爾(SHOR)算法(fa)(fa),用(yong)于破(po)(po)解(jie)大(da)質因(yin)數分解(jie),可將分解(jie)5000位(wei)數字的(de)(de)時間從(cong)50億年(nian)減到2分鐘,在(zai)密(mi)碼破(po)(po)譯方面潛(qian)力巨大(da);另一(yi)(yi)(yi)種(zhong)是誕生于1996年(nian)的(de)(de)格(ge)羅弗(GROVE)算法(fa)(fa),即量(liang)(liang)子搜(sou)索(suo)算法(fa)(fa),可從(cong)大(da)量(liang)(liang)無序(xu)的(de)(de)對(dui)象中快速找到需要的(de)(de)東西(xi),解(jie)決“最短路徑搜(sou)尋”“大(da)海撈(lao)針”等(deng)一(yi)(yi)(yi)些(xie)經典(dian)計算機很難解(jie)決的(de)(de)優化問(wen)題。

三(san)者中(zhong)進展最慢的(de)是(shi)(shi)物理(li)硬件。制備大(da)規模量子(zi)(zi)計算機,長期以來挑戰(zhan)性(xing)極(ji)大(da),對于多個(ge)量子(zi)(zi)比(bi)特(te)的(de)有效測量和規模化(hua)集成更是(shi)(shi)難(nan)上加難(nan)。因為量子(zi)(zi)計算機本身就是(shi)(shi)一個(ge)矛盾體,一方面(mian)要(yao)把(ba)量子(zi)(zi)比(bi)特(te)從環境(jing)中(zhong)完全孤(gu)立出來,另一方面(mian)又要(yao)控制它(ta)們并使之相互作用(yong)。好比(bi)每個(ge)光(guang)子(zi)(zi)都有很(hen)好的(de)量子(zi)(zi)性(xing)能,但要(yao)控制很(hen)多光(guang)子(zi)(zi)達到像一個(ge)光(guang)子(zi)(zi)那(nei)樣的(de)性(xing)能,就不是(shi)(shi)那(nei)么容易了。

科學家們(men)一(yi)直(zhi)在矛(mao)盾的(de)“夾縫”中(zhong)(zhong)尋找出(chu)路。量(liang)子態是(shi)脆弱和敏感的(de),極易(yi)受到(dao)周圍環境影響。在宏(hong)觀世界中(zhong)(zhong)去建造(zao)一(yi)臺量(liang)子比特數(shu)足夠(gou)多、操控保真(zhen)度(du)足夠(gou)高的(de)量(liang)子計算機,讓無形的(de)量(liang)子服從命令,簡直(zhi)需要“巫師一(yi)般的(de)魔法(fa)”。

經過科研人員幾十年的不懈努(nu)力,量子(zi)計算(suan)機陸(lu)續形成,現整體(ti)處在(zai)早(zao)期發展(zhan)階段(duan)。如(ru)果類比經典計算(suan)機,大體(ti)在(zai)電子(zi)管時代,可(ke)謂“道阻且長,行則將至;行而不輟,未來可(ke)期”。

百舸爭流,奮楫者先

目前,世(shi)界(jie)上都(dou)有哪些量(liang)子計算機?

根據量(liang)(liang)子(zi)比特的制(zhi)備方式不同,主流的技術路徑有(you)超導(dao)量(liang)(liang)子(zi)、光(guang)量(liang)(liang)子(zi)、離子(zi)阱、半導(dao)體量(liang)(liang)子(zi)點量(liang)(liang)子(zi)以(yi)及量(liang)(liang)子(zi)拓撲(pu)等。前4種(zhong)路徑均已制(zhi)作出量(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)原型機。

超導量子方案是最主流的路線,它用超導體作原料,最大優勢在于具有可操作性(xing)和可擴(kuo)展性(xing)。這(zhe)使超導量子成為實現(xian)可擴(kuo)展量子計算(suan)最有前景的候(hou)選方案之一。

2019年(nian)初,IBM首先實現了(le)基于(yu)超(chao)(chao)導系(xi)統(tong)的(de)50位量(liang)(liang)子(zi)計(ji)算機“IBM-Q”。谷歌也是超(chao)(chao)導系(xi)統(tong)的(de)追捧者,迅(xun)速(su)超(chao)(chao)越IBM,于(yu)2019年(nian)9月發布53量(liang)(liang)子(zi)比特(te)(te)的(de)“懸鈴木”。2021年(nian),我國可編程超(chao)(chao)導量(liang)(liang)子(zi)計(ji)算機“祖沖(chong)之號(hao)”問(wen)世,量(liang)(liang)子(zi)比特(te)(te)達到62個(ge)。

另一條重要路(lu)線就(jiu)是(shi)光(guang)量子(zi),原料是(shi)光(guang)。愛游(you)戲app使(shi)用(yong)光(guang)量子(zi)路(lu)線,成功孕育出76個(ge)光(guang)子(zi)的量子(zi)計算原型機“九章”。

我們不妨拿光(guang)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)路(lu)線(xian)和超(chao)導(dao)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)路(lu)線(xian)比(bi)較一下(xia):超(chao)導(dao)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比(bi)較容易控制,光(guang)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)則要復雜得多(duo);超(chao)導(dao)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)需要在(zai)接(jie)近絕對零度(du)的超(chao)低溫(wen)下(xia)才能確保穩定性(xing),而光(guang)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)在(zai)室溫(wen)下(xia)就能運行;超(chao)導(dao)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)能用于制作(zuo)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比(bi)特的特征比(bi)較少(shao),光(guang)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)動(dong)起來能測量(liang)(liang)(liang)(liang)的指標比(bi)較多(duo),比(bi)如有(you)路(lu)徑、偏(pian)振、角(jiao)動(dong)量(liang)(liang)(liang)(liang)等。

同時,兩者(zhe)也(ye)都各(ge)有“死穴”:光量子的問題在于相互間作(zuo)用很(hen)弱,很(hen)難制作(zuo)糾(jiu)纏態(tai),不過一旦制成就很(hen)穩(wen)定,可理解(jie)為“門檻高天花(hua)板也(ye)高”;超(chao)導量子彼此間作(zuo)用力(li)強,容易制作(zuo)糾(jiu)纏態(tai),但很(hen)不穩(wen)定。

澳大(da)利亞西蒙斯團隊(dui)使(shi)用(yong)的是硅(gui)量子(zi)點(dian)系統,微軟發展的是拓(tuo)撲量子(zi)比特方(fang)(fang)案(an),還有美國霍尼(ni)韋(wei)爾(er)領銜的離子(zi)阱方(fang)(fang)案(an),以(yi)及其(qi)他更小眾的方(fang)(fang)案(an),可謂百花齊(qi)放(fang),各種路線各有特色和優勢(shi)。

總(zong)之(zhi)(zhi),當今世界各國都在集中力量(liang)(liang)和科研資源,尋找(zhao)適合自己的(de)量(liang)(liang)子計算(suan)機實(shi)現途徑。百舸爭流(liu),奮楫(ji)者先;千帆競發(fa),勇進者勝。“祖沖之(zhi)(zhi)號”在超導(dao)量(liang)(liang)子賽道、“九章”在光量(liang)(liang)子賽道都成(cheng)了冠軍(jun)。

潛心深耕,中國作答

所謂(wei)“量(liang)(liang)子優越性”,即對于特定(ding)任(ren)務,量(liang)(liang)子計算(suan)機(ji)可以解決(jue),而(er)現(xian)存(cun)的任(ren)何經(jing)典計算(suan)機(ji)運用(yong)任(ren)何已(yi)知算(suan)法,都不能在一(yi)個可接受(shou)的時間(jian)內完成(cheng)。

為了證明量(liang)子計(ji)(ji)算的(de)這(zhe)種(zhong)“絕對優勢”,可特(te)定一個(ge)精心設計(ji)(ji)的(de)任(ren)(ren)務,不一定具有(you)實際(ji)價值(zhi),主要(yao)用于證實量(liang)子計(ji)(ji)算的(de)巨大(da)潛力,同時為之后的(de)發展鋪設道路(lu)。目前(qian),用于演示“量(liang)子優越性”的(de)任(ren)(ren)務,包括(kuo)隨機量(liang)子線(xian)路(lu)采(cai)(cai)樣、玻色采(cai)(cai)樣、IQP線(xian)路(lu)等。

比如(ru),隨機線路(lu)采(cai)樣任(ren)務就非(fei)常適合在(zai)超導(dao)量(liang)子(zi)計算(suan)上完(wan)(wan)成。它復雜度高(gao),經典計算(suan)很(hen)難模擬(ni)。“祖沖(chong)之號”選擇“二維的量(liang)子(zi)隨機行走”這一問(wen)題,證(zheng)明了(le)“量(liang)子(zi)優(you)越(yue)性”。同理,“九章”完(wan)(wan)成的是“高(gao)斯玻(bo)色(se)采(cai)樣”任(ren)務,在(zai)光學(xue)體系(xi)中證(zheng)明了(le)“量(liang)子(zi)優(you)越(yue)性”。

證明“量(liang)(liang)子(zi)優越性”,可以(yi)說(shuo)是量(liang)(liang)子(zi)計算機研制(zhi)征程上的(de)(de)一(yi)個里程碑。“祖(zu)沖之二號”和“九章二號”的(de)(de)誕生(sheng),像(xiang)一(yi)對(dui)雙(shuang)子(zi)星,照亮了量(liang)(liang)子(zi)應用更廣(guang)闊的(de)(de)前程。

62個量子比(bi)特(te)的(de)(de)“祖(zu)沖(chong)之號(hao)”,當時(shi)已是世界上(shang)公開發(fa)表論(lun)文提到比(bi)特(te)數最(zui)多的(de)(de)超(chao)導量子計算機。現(xian)今完成自我超(chao)越(yue)的(de)(de)“祖(zu)沖(chong)之二號(hao)”,實現(xian)了(le)(le)66個量子比(bi)特(te),又采用全(quan)新的(de)(de)倒裝(zhuang)焊3D封裝(zhuang)工藝以及可(ke)調(diao)耦(ou)合架構(gou),解決(jue)了(le)(le)大規模比(bi)特(te)集成問題(ti),實現(xian)了(le)(le)比(bi)特(te)間耦(ou)合快速、精確可(ke)調(diao)。

“祖沖之二(er)號(hao)”對(dui)特定任務處理速度比當前最(zui)快的超級(ji)計算機快一千萬倍,所完成任務的難度比谷歌“懸(xuan)鈴(ling)木”高2-3個數(shu)量級(ji)。

另一條路線上,“九(jiu)章二號”在計(ji)算(suan)(suan)(suan)規模和(he)復雜度(du)上,與“九(jiu)章”相比都有顯著提(ti)升:“九(jiu)章”構建(jian)的是76個光子、100模式的量子計(ji)算(suan)(suan)(suan)原型(xing)機,“九(jiu)章二號”則成(cheng)功(gong)構建(jian)了(le)113個光子、144模式的量子計(ji)算(suan)(suan)(suan)原型(xing)機。“九(jiu)章”一分(fen)鐘完成(cheng)的任務,超級計(ji)算(suan)(suan)(suan)機“富(fu)岳(yue)”需要花費一億年;“九(jiu)章二號”一毫秒完成(cheng)的任務,“富(fu)岳(yue)”需要算(suan)(suan)(suan)上30萬億年。最重要的是,“九(jiu)章二號”還(huan)具備了(le)部分(fen)可(ke)編程(cheng)能力。

潛(qian)心深耕,中(zhong)國作答。在不懈(xie)的(de)(de)(de)攀登中(zhong),我國已(yi)為世(shi)界(jie)提供了“中(zhong)國方案”。“量子優越性”并非(fei)終點、只(zhi)是起(qi)點,就像顯微鏡賦予了人們(men)探尋微生物世(shi)界(jie)的(de)(de)(de)途徑,天(tian)文望遠鏡搭建了人們(men)探索廣袤星空的(de)(de)(de)橋梁(liang),量子計(ji)算機意味著對于無限廣闊的(de)(de)(de)未知(zhi)領域,我們(men)即(ji)將找到開啟的(de)(de)(de)“鑰(yao)匙(chi)”。


《解放(fang)軍(jun)報》(2021-12-03)


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