“九章”问世 量子计算真的要来了?

来源:《中国电子报》2020年12月08日

12月4日,据中国科学技术大学官网消息,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。

也是在12月4日,英特尔在其全球研究院开放日活动上宣布推出第二代Horse Ridge低温量子控制芯片,标志着其在量子计算可扩展性上取得里程碑进展,因为可扩展性是全球量子计算的最大难点之一。

“九章”和Horse Ridge对于量子计算的发展有哪些意义?他们突破了哪些量子计算难点?目前量子计算各家技术路线分别面临什么问题?

攻克三大技术难题

“九章”取得重大突破

潘建伟院士团队所研发的量子计算机原形机取名“九章”,是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。据介绍,目前最优的经典算法,“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍,等效地比谷歌去年发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。同时,通过高斯玻色取样证明量子计算优越性不依赖于样本数量,克服了谷歌53比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。“九章”输出量子态空间规模达到了1030(“悬铃木”输出量子态空间规模是1016,目前全世界的存储容量是1022)。

这一成果的相关论文于12月4日在线发表在国际学术期刊《科学》。潘建伟团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平。2017年,该团队构建了世界首台超越早期经典计算机(ENIAC)的光量子计算原型机。2019年,团队进一步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源,实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样,输出复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间,逼近了“量子计算优越性”。

据悉,潘建伟团队这次突破主要是攻克了高品质光子源、高精度锁相、规模化干涉三个技术难题。而基于“九章”量子计算原型机的高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用,将是后续发展的重要方向。本源量子计算机公司副总经理张辉在接受《中国电子报》记者采访时表示,“九章”取得了很大的突破,水准很高。光学量子计算机在早期科研方面可以发挥很大作用,但其工程化难度较大。

光学量子与电学量子

两大路线各具特色

量子计算被视为“皇冠上的明珠”,全球诸多大公司都投入这场明珠争夺战。目前量子计算主要分为固态器件(也可称之为电学路线)和光学路线两大类量子计算路线。IBM与谷歌所走的是超导量子计算路线,英特尔所走的是半导体量子技术路线,无论是超导还是半导体都属于固态器件路线,都属于电学路线。所以谷歌、IBM、英特尔这三家公司属于“固态器件路线派”。

“九章属于光学路线。”张辉表示,“光学路线的光量子在相干时间上有优势,因为光受环境干扰比较少。但是其可操控性较弱,而且与经典计算很难实现兼容。所以包括IBM、英特尔、谷歌等都没有选光学,而是选择了固态器件。这样可以借用固态器件上的工艺,实现器件的小型化。目前世界上80%以上的量子计算都采用了固态器件的路线,因为它有很好的工业基础,而且与经典计算能够更好地融合,更容易实现产业化、工程化。”

“英特尔之所以选择固态器件路线,因为它比较有现实意义,是能够实现商业化的系统。量子计算机要成为商业化的系统需要具备几个条件:一是解决稳定性,有足够多可用的、高质量的、稳定的量子。二是需要实现操控性,因为要控制其交错、相干、交互等。三是批量化生产硬件。”英特尔中国研究院院长宋继强在接受《中国电子报》记者采访时表示,“英特尔今天推出的Horse Ridge II低温量子控制芯片,解决的是第二步的问题。”

宋继强进一步表示,目前业界使用的微波器件主要是常温态,而量子是在极低温的环境中才能存在的。要做成系统,就需要将常温态的器件与低温态的量子进行连接,这就相当于要将很多电缆绑在一起穿进大冰箱中,其中有串扰、衰减等等问题。Horse Ridge II低温控制芯片解决的就是这个问题,进一步简化了量子电路的控制,提高保真度,降低功率输出,这样集成量子电路才有可能往前迈进一步,量子计算系统实现商用才有可能性。

光学路线与电学路线量子计算,究竟哪种在未来会更成功,业界并没有给出定论,但是从与经典计算的兼容、从现有工艺与产业资源的成熟度、商业化和产业化等综合维度来看,固态器件都有明显的优势,这也就是为什么包括谷歌、IBM、英特尔等都选择了该方向的技术路线进行探索的原因。

“如果光学量子要发展,最后也需要与电学进行集成和兼容,因为目前从光学路线看,其集成化、小型化、工程化难度都比较大。”张辉对记者表示,“真正衡量量子计算能力是看用它来解决问题消耗的资源与经典计算相比,谁消耗的资源更小。”

有国外专家表示,潘建伟、陆朝阳团队实现了巨大的技术突破,水平远超其他高斯玻色采样试验。除了量子计算,该项突破在量子通信方面也有很大裨益,能帮助建立量子通信网络和量子互联网。

有信息透露,潘建伟院士旗下同样有团队正在进行电学路线的量子计算研究,只是目前尚未对外公布。

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