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问题|“九章”横空出世

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问题|“九章”横空出世
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2020年12月 ， 中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等学者组成的研究团队 ， 与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作 ， 成功研制出76个光子100个模式的量子计算原型机——“九章” 。 它处理“高斯玻色取样”的速度 ， 比目前最快的超级计算机快一百万亿倍 。 也就是说 ， 超级计算机需要一亿年完成的任务 ， “九章”只需一分钟 。 “九章”的问世 ， 确立了我国在国际量子计算研究中第一方阵地位 。 那么 ， 它到底是台什么样的计算机呢？请看——
“九章”与传统计算机相比有天壤之别
人们知道 ， 量子计算机比传统计算机更为先进 。 但是 ， 它可不是电脑新旧版本更替的那种升级 。 虽然都是计算机 ， 功能也相似 ， 但二者之间有着质的不同 。 就像蜡烛和电灯泡 ， 虽然都能照明 ， 却有天壤之别 。
“九章”作为量子计算原型机 ， 它和传统计算机的不同在于：我们所使用的计算机信息处理单元是经典比特 ， 有0和1两种状态 ， 一次只能处理非0即1的单一状态比特 。 而“九章”的处理单元是量子比特 ， 可以同时处理0和1 。 就像在一个巨型迷宫里探路 ， 传统计算机一次只能走一条路 ， 需要一次次地试 。 而“九章”能喊来一大群小伙伴 ， 一次就能试完全部的路 ， 效率极高 。 正因如此 ， 传统的经典计算机得出一项结论可能要花费数亿年 ， “九章”却能在数十秒钟内完成同一计算 。
那么 ， 要造一台像“九章”这样的量子计算原型机 ， 到底有多难？回答是“难上加难”——因为 ， 一束光里有无数小颗粒 ， 他们最小的组成单位就叫光子（也叫光量子） 。 “九章”使用的就是光子 。 若想造出一台包含若干个光子的量子计算机 ， 最关键的就是让光子服从人的控制 。 就像“九章”研制者之一潘建伟所说：“你喝一杯水很容易 ， 但是让你一个水分子一个水分子地喝 ， 很难做到 。 ”
灯泡被点亮的一瞬间 ， 你看到的是一束光 ， 但你看不到的是亿万个光子正以我们无法掌控的奇特轨迹运动 ， 想要抓住其中几个让它们听从指挥 ， 几乎是不可能完成的任务 。 可即便再难 ， 在持续不懈的努力下 ， 科学家们真的做到了 。
“九章”的神速算力快过超算以亿年计
提到“高尔顿钉板” ， 大家或许会想到一种小时候玩过的游戏：扔一个小球进网格 ， 一层一层往下落 ， 越往两边的孔漏出 ， 奖励就越高 。
此次“九章”完成的 ， 是一个叫“高斯玻色取样”的模拟任务 ， 正是一种量子版的“高尔顿钉板”问题 。 人们可试着想象一下：把小球变成光子 ， 把钉板变成分束器 ， 扔若干个光子进入网格之后 ， 问每个出口有多少光子出去？当然 ， 真实的玻色取样比人们的这种想象要复杂得多 。 因为小球的运动轨迹是可预知的 ， 而光子在板里的运动轨迹极其复杂 ， 再加上相互干涉 ， 从哪个孔里出来就变得非常难以预测 。
事实上 ， 设计这个问题 ， 就是为了证明：有些用传统计算机解决起来复杂无比的问题 ， 用量子计算机却能轻松解决 ， 即所谓的量子计算优越性 。 但是 ， 自玻色取样问题提出后 ， 世界上陆续有很多个小组进行挑战和验证 ， 均未获得成功 ， 展示量子优越性也就无从谈起 。
直到2017年 ， 潘建伟、陆朝阳团队才实现了5个光子玻色取样 。 这标志着量子计算机的研究不再止于理论 ， 而是可以制造真正的机器来执行具体的算法 ， 这对量子计算发展的意义不言而喻 。
去年 ， 谷歌研制的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木” 。 它所计算的 ， 也是一个为证明量子优越性而量身打造的问题 ， 被人们认为是量子计算从理论到实践的“转折点” 。
后来 ， 潘建伟、陆朝阳团队采用压缩态光源——不同于单光子光源“一个一个”走出来的状态 ， 压缩态光源可以看作是“一团一团”走出来 。 他们将50个压缩态光源 ， 输入一个有100个入口、100个出口的网格 ， 最后在网格出口处安置了探测器进行采样 。 在进入网格之前 ， 每路光源要先经过2米自由空间和20米光纤 ， 整个过程中产生的抖动必须确保在25纳米之内 。 难度系数之大 ， 陆朝阳将之形容为“让50匹马奔跑100公里 ， 偏离误差小于一根头发丝” 。
最终 ， 该团队成功构建了76个光子100个模式的“高斯玻色取样”量子计算原型机 ， 并取名为“九章” ， 以纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》 。 当时《九章算术》的出现 ， 标志着中国古代数学形成了完整的体系 ， 是中国数字史上的一座里程碑 。 而这台量子计算原型机的问世 ， 使得我国成为世界上第二个实现量子优越性的国家 ， 同样具有里程碑意义 。
处理一个问题 ， “九章”只需200秒 ， 而目前世界上最快的超级计算机“富岳”号则需要6亿年 ， 换成中国的超级计算机“神威·太湖之光”要算上25亿年 。 其速度也等效地比量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍 。
诸如“九章”的量子计算机未来更有实用价值
有人会说 ， 无论是“悬铃木”还是“九章” ， 都只能解决特定问题 ， 感觉用途不大 。 其实不然 。
1943年 ， 世界上第一台计算机诞生时 ， 这个一吨重的大家伙 ， 每秒5000次算力震惊了当时的人们 。 IBM总裁托马斯·沃森就预言 ， 全世界有5台这样的计算机就够用了 。 然而 ， 才过了几十年时间 ， 人们手中一部智能手机的算力总和 ， 已经超过了当年整个“阿波罗”登月计划的算力总和 。
传统计算机是依靠芯片中硅晶体管的指数级增长 ， 来实现算力增强的 。 然而 ， 今天一枚晶体管的尺寸比病毒还小 ， 已逼近物理极限 。 终有一天 ， 晶体管电路原理将不再适用 ， 计算速度将“碰到天花板” 。
我们把当今全球所有计算机的算力加在一起 ， 一年里都无法完成对“2的90次方”个数据的穷举搜索 。 一方面 ， 是传统计算模式受到严重制约；另一方面 ， 是随着社会发展 ， 数据在呈指数级增长 ， 对计算能力的需求也随之飞速增长 。 有些问题之所以无法解决 ， 就是因为算力不够 。 比如 ， 密码破解问题 ， 传统计算机不是算不出 ， 而是因为算的时间太长 。 分解一个300位大数 ， 一台万亿次传统计算机需要算15万年 ， 而一台万亿次量子计算机只需一秒钟 。
此外 ， 作为量子计算原型机的“九章” ， 其强大算力可初步用于量子化学以及一些数学难题的研究 ， 甚至也可用于机器学习的一些研究 ， 在解决传统难题上能做一些有效探索 。
目前 ， “九章”还只是“单项冠军” ， 但它将在更多领域的探索中 ， 体现出更多应用价值 。 “九章”的出色表现 ， 为将来实现“可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机”奠定了技术基础 。 潘建伟、陆朝阳团队认为 ， 未来研制出的通用量子计算机 ， 能够解决很多广泛的问题 。 例如对气象预报、金融分析、材料设计、药物分析等 ， 均具有实用价值 。 同时 ， 也可用来探索物理学、生物学、化学领域的一些复杂问题 。
未来 ， 随着通用量子计算机的出现 ， 可以预见 ， 很多学科会因此而兴盛 ， 人类科技史将会因此翻开崭新的一页 。
上图为光子干涉实物图 。
新华社发
作者：张 媛 纪小柠 汪冬立
【问题|“九章”横空出世】[责任编辑: ]

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