美媒：中國“九章”演示“量子霸權(quán)”
美媒稱，史上第一次，一臺利用光子構(gòu)建的量子計算機的表現(xiàn)甚至超越了運算速度最快的經(jīng)典超級計算機。
據(jù)《科學(xué)美國人》月刊網(wǎng)站12月3日報道，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉和陸朝陽率領(lǐng)的物理學(xué)家團隊利用量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上的論文顯示，其結(jié)果是76個被探測到的光子，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了先前創(chuàng)下紀(jì)錄的5個被測光子以及經(jīng)典超級計算機的運算能力。
報道稱，與利用硅處理器構(gòu)建的傳統(tǒng)計算機不同，“九章”量子計算機是一個由激光器、反射鏡、棱鏡和光子探測器組成的精密桌面裝置。它不是有朝一日可以發(fā)送電子郵件或存儲文檔的通用型計算機，但它卻可以展示量子計算技術(shù)的潛力。
算力遠(yuǎn)超經(jīng)典計算機
去年，谷歌公司登上新聞頭條，其研發(fā)的“西克莫”量子處理器耗時約3分鐘完成了超級計算機需要1萬年才能完成的任務(wù)。而中科大團隊在其論文中估計，如果用全球排名靠前的超級計算機“神威·太湖之光”來執(zhí)行“九章”完成的這項運算任務(wù)，需要耗時驚人的25億年。
報道指出，這不過是科學(xué)家第二次演示“量子霸權(quán)”。這一術(shù)語描述的是，在某一時刻，量子計算機在速度上指數(shù)級超越任何經(jīng)典計算機，進而實際上完成其他設(shè)備無法完成的計算任務(wù)。
這一次不僅證明了原理，有些跡象表明，“高斯玻色取樣”可能有實際用途，例如解決量子化學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的專門問題。更廣泛地說，掌握控制作為量子比特的光子的能力是構(gòu)建任何大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)的先決條件。量子比特類似于在經(jīng)典計算領(lǐng)域被用來代表信息的比特。
斯科特·阿倫森目前是美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀校區(qū)的理論計算機科學(xué)家。2011年，他與當(dāng)時還是他學(xué)生的亞歷克斯·阿爾希波夫率先闡述了玻色取樣的基本原理。阿倫森稱，在許多年的時間里，玻色取樣實驗一直局限在只能探測到大約3到5個光子的程度上，這與量子霸權(quán)“相去甚遠(yuǎn)”。他說：“擴大規(guī)模是很困難的，向他們致敬。”
報道稱，在過去幾年里，量子計算技術(shù)已經(jīng)從原本的默默無聞一躍發(fā)展為一項價值數(shù)十億美元的事業(yè)，其對國家安全、全球經(jīng)濟以及物理學(xué)和計算機科學(xué)基礎(chǔ)的潛在影響也得到了承認(rèn)。2019年，美國《國家量子計劃法》被簽署成為法律，美國打算未來10年在量子技術(shù)領(lǐng)域投資逾12億美元（1美元約合6.6元人民幣）。這一領(lǐng)域也吸引了相當(dāng)大量的炒作，有人發(fā)布不切實際的時間表，有人夸夸其談地稱量子計算機將讓經(jīng)典計算機徹底過時。
技術(shù)路線與谷歌不同
報道認(rèn)為，中科大團隊展示量子計算潛力的最新行動至關(guān)重要，因為它采用的方法與谷歌公司的方法截然不同。“西克莫”用金屬超導(dǎo)環(huán)構(gòu)成量子比特，而在“九章”中，光子本身就是量子比特。陸朝陽說，這進一步獨立證實了量子計算原理甚至可以在完全不同的硬件上實現(xiàn)“量子霸權(quán)”，“我們因而確信，從長期看，構(gòu)建有用的量子模擬器和容錯量子計算機最終將是可行的”。
去年，中科大團隊曾演示14光子玻色取樣——筆記本電腦很難完成該任務(wù)，但超級計算機卻能輕易完成。為擴大規(guī)模并最終實現(xiàn)量子霸權(quán)，他們采用了略微不同的規(guī)程，即“高斯玻色取樣”。
德國帕德博恩大學(xué)的量子光學(xué)專家、“高斯玻色取樣”的開發(fā)者之一克里斯蒂娜·西爾伯霍恩說，設(shè)計這項技術(shù)是為了避開阿倫森和阿爾希波夫的“香草玻色取樣”所使用的不可靠單個光子。
工作復(fù)雜性令人生畏
報道指出，西爾伯霍恩承認(rèn)，即便如此，中科大裝置的復(fù)雜性仍令人望而生畏。“九章”的運行從一束激光開始，這束激光被分成若干束去打擊25個由磷酸氧鈦鉀制成的晶體。每一個晶體被擊中后，它會可靠地向兩個相反方向吐出光子。然后這些光子被送入100個輸入端，在那里它們快速穿過一條由300個棱鏡和75面反射鏡組成的路徑。最后，這些光子落在100條狹縫中，并在那里被探測到。實驗運行的平均時間為200多秒，中科大團隊在每次運行中平均探測到大約43個光子。但在有一次運行中，他們觀測到76個光子——這足以證明他們聲稱實現(xiàn)量子霸權(quán)是有理由的。
報道稱，難以估算超級計算機需要用多長時間來解決76個被測光子的分布問題，一大原因是，用25億年時間來運行一臺超級計算機以進行直接驗證并不可行。作為替代，研究人員根據(jù)涉及數(shù)量較少被測光子時經(jīng)典計算技術(shù)所用運算時間做了推算。研究人員聲稱，在最順利的情況下，解決50個光子的分布問題將花掉超級計算機兩天時間。
“九章”的名字來自《九章算術(shù)》一書，該書是一部影響力堪比歐幾里德《幾何原本》的中國古代教科書。
來源：參考消息（ID：ckxxw）