“九章”问世! 中国科学家实现“量子计算优越性”里程碑

作者: 林梅

来源: 墨子沙龙

发布日期: 2020-12-05

中国科学家成功构建了76个光子的量子计算原型机“九章”,实现了量子计算优越性,相关论文于12月4日发表于国际学术期刊Science。

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等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,构建了76个光子的量子计算原型机“九章”,实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。根据现有理论,该量子计算系统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(“九章”一分钟完成的任务,超级计算机需要大约一亿年)。

等效地,其速度比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑:量子计算优越性(国外也称之为“量子霸权”),相关论文于12月4日以“First Release”形式在线发表于国际学术期刊Science。

在气象工程师白冰被追捕的路上,他认识了同样被追捕的宋诚。

白冰神秘地拿出一只箱子,“这是一台超弦计算机,是我从气象模拟中心带出来的,你说偷出来的也行,我全凭它摆脱追捕了”。这个情节来自科幻作家刘慈欣的中短篇小说《镜子》。在故事里,白冰偷出来的这台机器是一台拥有了几乎无限运算和存贮能力的计算机,它不仅能模拟气象这种复杂过程,还可以模拟整个宇宙的演化。只要给定每个粒子的初始条件,整个宇宙的运行就像镜子一样清楚地展现,准确无误。

借由主人翁白冰的口述,作者表达过他对计算的理解:用模拟方式为一个鸡蛋建立数学模型,就是将组成鸡蛋的每一个原子的状态都输入模型的数据库,当这个模型在计算机中运行时,如果给出的边界条件合适,内存中的那个虚拟鸡蛋就会孵出小鸡来,而且那只内存中的虚拟小鸡,与现实中的那个鸡蛋孵出的小鸡一模一样,连每一根毛尖都不会差一丝一毫!如果这个模拟目标比鸡蛋再大些呢?

大到一棵树,一个人,很多人;大到一座城市,一个国家,甚至大到整个地球?如果模拟的对象是整个宇宙又会怎么样?

现实的物理系统究竟能不能被计算机模拟?这种猜想绝不仅限于科幻作家的小说中,也存在于严肃的学术讨论和哲学思考里。比如,计算机领域中非常著名的扩展的丘奇-图灵论题(extended Church-Turing thesis)就认为,任何物理系统都可以被经典图灵机有效模拟。

但是,随着人们对微观世界的深入理解,扩展的丘奇-图灵论题开始被质疑,尤其是随着量子力学的发展,更多人意识到,实际的量子过程太过复杂,如果用经典计算模拟量子过程,需要的时间可能会呈指数增长。也就是说,有效计算是不可能的。1980年代,费曼提出,模拟量子过程,必须放弃经典计算的老套路,用量子材料造一台新式机器,来自然地解决这些问题。没错,就是量子计算机。

经典计算和量子计算的区别在哪里呢?

对于经典计算机来说,每个比特要么代表0,要么代表1,这些比特就是信息,而对这些信息运算,实际上就是用电路构建一些逻辑门,完成“与”、“非”、“或”以及更复杂的操作。而量子计算,则是利用量子天然具备的叠加性,施展并行计算的能力。每个量子比特,不仅可以表示0或1,还可以表示成0和1分别乘以一个系数再叠加,随着系数的不同,这个叠加的形式可能性会很多很多,它会产生什么效果呢?

我们以两个比特举例,对于经典的两比特来说,在某一时刻,它最多只能表示00、10、01、11这四种可能性的一种;而量子计算由于叠加性,可以写成也就是说,它可以同时蕴含有四种信息状态。这种叠加性意味着,随着比特数增加,信息的存储量和运行速度会指数增加,经典计算机将望尘莫及。

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