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  • 量子計算機進入2.0時代

    來源:解放軍報作者:張媛 周強 張揚責任編輯:王鳳2021-12-03 12:25

    摘要:2021年10月,我國量子計算領域雙喜臨門:“祖沖之號”和“九章”的2.0升級版——“祖沖之二號”“九章二號”均成功構建。

    據報道,2021年10月,我國量子計算領域雙喜臨門:“祖沖之號”和“九章”的2.0升級版——“祖沖之二號”“九章二號”均成功構建。

    “祖沖之二號”構建了66比特可編程超導量子計算原型機?!熬耪露枴眲t再次刷新國際光量子操縱的技術水平,處理特定問題比目前全球最快的超級計算機快10的24次方倍。這意味著,我國已成為世界上唯一在超導量子和光量子兩種體系下達到“量子優越性”里程碑的國家。

    幾十年間,量子計算機一步步從科學家的大膽構想中走向現實。這一路經歷了怎樣的曲折過程?世界上至今有哪些量子計算機?“祖沖之號”和“九章”的2.0版實現了怎樣技術升級?請看本期解讀。

    道阻且長,行則將至

    1981年,諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼提出了兩個富有洞察力的問題:經典計算機是否能有效模擬量子系統?舍棄經典的圖靈機模型而利用具有奇特性質的量子材料,能否構建模擬量子系統的計算機?

    這是人類首次提出量子計算機概念。量子計算機的時代帷幕也由此拉開。

    量子計算意義深遠,因為它開啟了一種全新的計算模式。古希臘數學家畢達哥拉斯說,任何事情都可用數來代表。也就是說,任何問題都可變成一個函數計算:輸入一個數,通過一個模型演化運算,再輸出一個數。

    這個模型就像一個黑匣子,利用經典力學時就是我們現在正在使用的經典圖靈機,利用量子力學時就是全新的量子計算機。

    一個標準的量子計算機,通常需要具備3個基本模塊:一是軟件系統,即量子算法;二是量子信息控制系統,即量子電路,用來確保量子計算中可靠的底層信息處理,這相當于操作系統和編程;三是硬件體系。

    三者中首先取得重大突破的是量子算法。影響最大的有兩種算法:一種是誕生于1994年的舒爾(SHOR)算法,用于破解大質因數分解,可將分解5000位數字的時間從50億年減到2分鐘,在密碼破譯方面潛力巨大;另一種是誕生于1996年的格羅弗(GROVE)算法,即量子搜索算法,可從大量無序的對象中快速找到需要的東西,解決“最短路徑搜尋”“大海撈針”等一些經典計算機很難解決的優化問題。

    三者中進展最慢的是物理硬件。制備大規模量子計算機,長期以來挑戰性極大,對于多個量子比特的有效測量和規?;筛请y上加難。因為量子計算機本身就是一個矛盾體,一方面要把量子比特從環境中完全孤立出來,另一方面又要控制它們并使之相互作用。好比每個光子都有很好的量子性能,但要控制很多光子達到像一個光子那樣的性能,就不是那么容易了。

    科學家們一直在矛盾的“夾縫”中尋找出路。量子態是脆弱和敏感的,極易受到周圍環境影響。在宏觀世界中去建造一臺量子比特數足夠多、操控保真度足夠高的量子計算機,讓無形的量子服從命令,簡直需要“巫師一般的魔法”。

    經過科研人員幾十年的不懈努力,量子計算機陸續形成,現整體處在早期發展階段。如果類比經典計算機,大體在電子管時代,可謂“道阻且長,行則將至;行而不輟,未來可期”。

    “九章二號”144模式干涉儀(部分)實驗照片。

    百舸爭流,奮楫者先

    目前,世界上都有哪些量子計算機?

    根據量子比特的制備方式不同,主流的技術路徑有超導量子、光量子、離子阱、半導體量子點量子以及量子拓撲等。前4種路徑均已制作出量子計算原型機。

    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和可擴展性。這使超導量子成為實現可擴展量子計算最有前景的候選方案之一。

    2019年初,IBM首先實現了基于超導系統的50位量子計算機“IBM-Q”。谷歌也是超導系統的追捧者,迅速超越IBM,于2019年9月發布53量子比特的“懸鈴木”。2021年,我國可編程超導量子計算機“祖沖之號”問世,量子比特達到62個。

    另一條重要路線就是光量子,原料是光。中國科學技術大學使用光量子路線,成功孕育出76個光子的量子計算原型機“九章”。

    我們不妨拿光量子路線和超導量子路線比較一下:超導量子比較容易控制,光量子則要復雜得多;超導量子需要在接近絕對零度的超低溫下才能確保穩定性,而光量子在室溫下就能運行;超導量子能用于制作量子比特的特征比較少,光量子動起來能測量的指標比較多,比如有路徑、偏振、角動量等。

    同時,兩者也都各有“死穴”:光量子的問題在于相互間作用很弱,很難制作糾纏態,不過一旦制成就很穩定,可理解為“門檻高天花板也高”;超導量子彼此間作用力強,容易制作糾纏態,但很不穩定。

    澳大利亞西蒙斯團隊使用的是硅量子點系統,微軟發展的是拓撲量子比特方案,還有美國霍尼韋爾領銜的離子阱方案,以及其他更小眾的方案,可謂百花齊放,各種路線各有特色和優勢。

    總之,當今世界各國都在集中力量和科研資源,尋找適合自己的量子計算機實現途徑。百舸爭流,奮楫者先;千帆競發,勇進者勝?!白鏇_之號”在超導量子賽道、“九章”在光量子賽道都成了冠軍。

    潛心深耕,中國作答

    所謂“量子優越性”,即對于特定任務,量子計算機可以解決,而現存的任何經典計算機運用任何已知算法,都不能在一個可接受的時間內完成。

    為了證明量子計算的這種“絕對優勢”,可特定一個精心設計的任務,不一定具有實際價值,主要用于證實量子計算的巨大潛力,同時為之后的發展鋪設道路。目前,用于演示“量子優越性”的任務,包括隨機量子線路采樣、玻色采樣、IQP線路等。

    比如,隨機線路采樣任務就非常適合在超導量子計算上完成。它復雜度高,經典計算很難模擬?!白鏇_之號”選擇“二維的量子隨機行走”這一問題,證明了“量子優越性”。同理,“九章”完成的是“高斯玻色采樣”任務,在光學體系中證明了“量子優越性”。

    證明“量子優越性”,可以說是量子計算機研制征程上的一個里程碑?!白鏇_之二號”和“九章二號”的誕生,像一對雙子星,照亮了量子應用更廣闊的前程。

    62個量子比特的“祖沖之號”,當時已是世界上公開發表論文提到比特數最多的超導量子計算機?,F今完成自我超越的“祖沖之二號”,實現了66個量子比特,又采用全新的倒裝焊3D封裝工藝以及可調耦合架構,解決了大規模比特集成問題,實現了比特間耦合快速、精確可調。

    “祖沖之二號”對特定任務處理速度比當前最快的超級計算機快一千萬倍,所完成任務的難度比谷歌“懸鈴木”高2-3個數量級。

    另一條路線上,“九章二號”在計算規模和復雜度上,與“九章”相比都有顯著提升:“九章”構建的是76個光子、100模式的量子計算原型機,“九章二號”則成功構建了113個光子、144模式的量子計算原型機?!熬耪隆币环昼娡瓿傻娜蝿?,超級計算機“富岳”需要花費一億年;“九章二號”一毫秒完成的任務,“富岳”需要算上30萬億年。最重要的是,“九章二號”還具備了部分可編程能力。

    潛心深耕,中國作答。在不懈的攀登中,我國已為世界提供了“中國方案”?!傲孔觾炘叫浴辈⒎墙K點、只是起點,就像顯微鏡賦予了人們探尋微生物世界的途徑,天文望遠鏡搭建了人們探索廣袤星空的橋梁,量子計算機意味著對于無限廣闊的未知領域,我們即將找到開啟的“鑰匙”。

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