“九章三號”光量子計(jì)算機(jī)問世！比超算快一億億倍，來自中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)

豐色 2023-10-12 12:31:11 來源：量子位

豐色 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

我國量子計(jì)算迎來新突破。

中科大官網(wǎng)消息：

新一代量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號”成功研制，255個(gè)光子（比“九章二號”多了1倍多），計(jì)算能力刷新世界紀(jì)錄。

具體有多強(qiáng)？

（1）處理高斯玻色取樣的速度，比上一代“九章二號”還要快一百萬倍，比目前全球最快超算（Frontier）則快上一億億倍；

（2）在1微秒（10的負(fù)6次方秒）內(nèi)所處理的最高復(fù)雜度樣本，如果換作全球最快超算來做，它得花超二百億年（簡單理解為1微秒=200億年）。

網(wǎng)友表示：

這才是真的牛。

從意義上來看，中科大表示：

“九章三號”的誕生主要是進(jìn)一步鞏固我國在光量子計(jì)算領(lǐng)域（與之對應(yīng)的是超導(dǎo)量子）的領(lǐng)先地位。

它背后的團(tuán)隊(duì)，仍由潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等人（隸屬中科大中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院）組成，外加共同合作方：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所和國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心。

光量子計(jì)算機(jī)“九章三號”問世

“九章三號”成果目前已發(fā)表在《物理評論快報(bào)》（PHYSICAL REVIEW LETTERS）。

相較2021年誕生的“九章二號”，它有哪些改進(jìn)？

中科大介紹：
其一，在理論上首次提出了包含光子全同性的新理論模型。

（全同性原理是量子力學(xué)基本假設(shè)：交換全同粒子體系中任意一對粒子的全坐標(biāo)（包括空間坐標(biāo)和自旋坐標(biāo)），體系的狀態(tài)不變。）

該模型實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)驗(yàn)的更精確吻合。

其二，發(fā)展了完備的貝葉斯驗(yàn)證和關(guān)聯(lián)函數(shù)驗(yàn)證，全面排除所有已知的經(jīng)典仿冒算法。

這主要是為量子計(jì)算優(yōu)越性提供進(jìn)一步數(shù)據(jù)支撐。

在這些改進(jìn)之外，“九章三號”又是如何實(shí)現(xiàn)255個(gè)光子的呢？

要知道，“九章二號“光子為113個(gè)，而國際上第二個(gè)實(shí)現(xiàn)光學(xué)體系“量子計(jì)算優(yōu)越性”的“北極光”（Borealis）量子處理器（加拿大Xanadu公司與美國國家標(biāo)準(zhǔn)局合作）為216個(gè)。

在此，潘建偉團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種時(shí)空解復(fù)用的光子探測新方法。

簡單來說就是研制了一個(gè)基于光纖時(shí)間延遲環(huán)的超導(dǎo)納米線探測器，用它來把多光子態(tài)分束到不同空間模式并通過延時(shí)把空間轉(zhuǎn)化為時(shí)間。

通過這個(gè)準(zhǔn)光子數(shù)可分辨的探測系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)得以提升光子操縱水平（255個(gè)光子），進(jìn)而提升量子計(jì)算復(fù)雜度。

△ 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

最終，“九章三號”憑借以上改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了我們在文章開頭所看到這一系列新的世界紀(jì)錄。

當(dāng)然，這樣的量子計(jì)算機(jī)仍然只能解決高斯玻色取樣等特定任務(wù)（經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法完成），在通用計(jì)算上還無法與超算相比。

而除了在特定任務(wù)上的計(jì)算性能大幅提升，“九章三號”還：

• 揭示了高斯玻色取樣和圖論之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系；
• 完成了對稠密子圖和Max-Haf兩類具有實(shí)用價(jià)值的圖論問題的求解（比經(jīng)典計(jì)算機(jī)精確模擬的速度快1.8億倍）；
• 以及在國際上首次演示出無條件的多光子量子精密測量優(yōu)勢。

△ “九章三號”的計(jì)算復(fù)雜度需要花費(fèi)超級計(jì)算機(jī)的時(shí)間

最后，“九章三號”的成果研制究竟有何意義？

在國際學(xué)術(shù)界，有一個(gè)量子計(jì)算機(jī)（分為光子和超導(dǎo)兩種）三步走的發(fā)展路線。

其中第一步就是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，即通過對近百個(gè)量子比特的高精度量子調(diào)控，對特定問題的求解展現(xiàn)超級計(jì)算機(jī)無法比擬的算力。

回顧我國發(fā)展史：

2020年，具備76光子“九章”的誕生，使我國首次在國際上實(shí)現(xiàn)光學(xué)體系的“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

2021年10月，中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)又研制出113光子的可相位編程“九章二號”，以及56比特的“祖沖之二號”超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)，使我國成為全球唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩種技術(shù)路線都達(dá)到了“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國家。

不過在“九章二號”之后，2022年6年，219個(gè)光子的“北極光（Borealis）”量子計(jì)算機(jī)誕生，采樣高斯玻色子的速度是2021年世界上最快超算Fugaku的7.8萬億倍，一下子超越了“九章二號”。

但競爭實(shí)在激烈，如今“九章三號”的誕生，則又很快結(jié)束了“北極光”量子計(jì)算機(jī)的短暫領(lǐng)先，讓我國重回國際第一，并再次刷新計(jì)算性能紀(jì)錄。

論文地址：
https://journals.aps.org/prl/issues/131/15
參考鏈接：
[1]https://quantum.ustc.edu.cn/web/index.php/node/1140
[2]https://s.weibo.com/weibo?q=%E4%B9%9D%E7%AB%A0%E4%B8%89%E5%8F%B7