速度提升一百萬倍！ “九章三號”厲害了

來源：數(shù)據(jù)觀綜合 時(shí)間：2023-10-11 16:36:49 作者：

　　據(jù)新華社報(bào)道，中國科學(xué)家宣布成功構(gòu)建量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號”，在研制量子計(jì)算機(jī)之路上又邁出重要一步。

　　“九章三號”再度刷新世界紀(jì)錄

　　10月11日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，宣布成功構(gòu)建255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號”。

　　這項(xiàng)成果再度刷新光量子信息技術(shù)世界紀(jì)錄，求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問題比目前全球最快的超級計(jì)算機(jī)快一億億倍。國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》發(fā)表該成果。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

　　科研人員設(shè)計(jì)時(shí)空解復(fù)用的光子探測新方法，構(gòu)建高保真度的準(zhǔn)光子數(shù)可分辨探測器，提升了光子操縱水平和量子計(jì)算復(fù)雜度。根據(jù)公開正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典精確采樣算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號”提升一百萬倍?！熬耪氯枴痹诎偃f分之一秒時(shí)間內(nèi)所處理的最高復(fù)雜度的樣本，需要當(dāng)前最強(qiáng)的超級計(jì)算機(jī)“前沿”（Frontier）花費(fèi)超過200億年的時(shí)間。這一成果進(jìn)一步鞏固了我國在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。

　　據(jù)悉，“九章”取名于中國古代數(shù)學(xué)名著《九章算術(shù)》?！熬耪氯枴笔窃谇皟纱熬耪隆钡幕A(chǔ)上的又一次技術(shù)躍遷。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陸朝陽教授向第一財(cái)經(jīng)記者表示，“九章三號”的成功構(gòu)建主要有四方面的意義：首先是使得40年前費(fèi)曼等人的夢想成為現(xiàn)實(shí)；第二是在“九章”發(fā)展過程中，發(fā)展出可擴(kuò)展的量子調(diào)控技術(shù)，為具備容錯能力的通用量子計(jì)算機(jī)的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)；第三是在激烈的國際競爭角逐中，“九章三號”的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步鞏固了我國在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位；最后是打開了在圖論等實(shí)際問題方面的應(yīng)用。

　　我國躋身量子計(jì)算“第一梯隊(duì)”

　　量子計(jì)算是后摩爾時(shí)代的一種新的計(jì)算范式，它在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，可望通過特定量子算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級別的加速。因而，研制量子計(jì)算機(jī)是當(dāng)前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。

　　對于量子計(jì)算機(jī)的研究，本領(lǐng)域的國際同行公認(rèn)有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：

　　第一階段：發(fā)展具備50-100個(gè)量子比特的高精度專用量子計(jì)算機(jī)，對于一些超級計(jì)算機(jī)無法解決的高復(fù)雜度特定問題實(shí)現(xiàn)高效求解，實(shí)現(xiàn)計(jì)算科學(xué)中“量子計(jì)算優(yōu)越性”的里程碑。

　　第二階段：通過對規(guī)?；囿w量子體系的精確制備、操控與探測，研制可相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，用于解決若干超級計(jì)算機(jī)無法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問題（如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等）。

　　第三階段：通過積累在專用量子計(jì)算與模擬機(jī)的研制過程中發(fā)展起來的各種技術(shù)，提高量子比特的操縱精度使之達(dá)到能超越量子計(jì)算苛刻的容錯閾值（>99.9%），大幅度提高可集成的量子比特?cái)?shù)目（百萬量級），實(shí)現(xiàn)容錯量子邏輯門，研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。

　　2019年10月，在持續(xù)重金投入多年以后，谷歌宣布實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”——他們設(shè)計(jì)、構(gòu)建了包含53個(gè)可用量子比特的可編程超導(dǎo)量子處理器，命名為“懸鈴木”。在隨機(jī)線路采樣這一特定任務(wù)上，“懸鈴木”展現(xiàn)出超過世界上最先進(jìn)超級計(jì)算機(jī)的能力。

　　中國科學(xué)家在取得量子信息傳輸領(lǐng)先地位的同時(shí)，也加緊了量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)。

　　2020年12月，潘建偉、陸朝陽等人組成的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了高斯玻色采樣任務(wù)的快速求解。研究顯示，“九章”等效地比“懸鈴木”快一百億倍，這一成果使我國成為第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國家。

　　2021年5月，潘建偉院士團(tuán)隊(duì)又成功研制出62比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號”，并實(shí)現(xiàn)可編程的二維量子行走。

　　2021年10月，著名物理學(xué)期刊《物理評論快報(bào)》同時(shí)發(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的兩篇論文，文章表明，隨著66比特的可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號”（也稱“祖沖之2.0”）的研制成功和113個(gè)光子144模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號”（也稱“九章2.0”）的構(gòu)建，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)量子和光量子兩種系統(tǒng)的量子計(jì)算方面取得重要進(jìn)展，這也意味著我國成為目前世界上唯一在兩種物理體系達(dá)到量子計(jì)算優(yōu)越性里程碑的國家。

　　《科學(xué)美國人》雜志在《新研究表明，中國在全球量子競賽中領(lǐng)先》的文章中指出：“2017年，當(dāng)中國的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)從‘墨子號’衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，進(jìn)行世界上第一次量子安全視頻通話時(shí)，專家們認(rèn)為中國已經(jīng)在量子通信方面處于世界領(lǐng)先地位。而新研究（‘祖沖之二號’、‘九章二號’等工作）表明，中國的領(lǐng)先地位已經(jīng)擴(kuò)展到量子計(jì)算領(lǐng)域?！?/p>

　　“九章”的出色表現(xiàn)，牢固確立了我國在國際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位，為未來實(shí)現(xiàn)可解決具有重大實(shí)用價(jià)值問題的規(guī)?；孔幽M機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)?？偟膩砜?，我國對量子計(jì)算的研究與發(fā)達(dá)國家處于同一階段，已進(jìn)入國際“第一梯隊(duì)”。

　　各國加速布局量子計(jì)算領(lǐng)域

　　如今，作為量子科學(xué)的重要領(lǐng)域之一，量子計(jì)算儼然成為科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，世界主要國家以及各大科技公司都紛紛投入大量精力和資金來研究和開發(fā)量子計(jì)算技術(shù)。

圖 | 各國關(guān)于量子計(jì)算的部分政策（來源：CB Insights China 根據(jù)公開資料做不完全統(tǒng)計(jì)）

　　德國：2020 年 7 月，德國聯(lián)邦教育與研究部部長卡利切克（Anja Karliczek）表示，德國將于 2021 年擁有首臺量子計(jì)算機(jī)。6 月初，德國政府加碼投資 20 億歐元發(fā)展量子技術(shù)，希望在擔(dān)任歐盟輪值主席國期間，把量子計(jì)算機(jī)相關(guān)議題納入未來歐盟的科研框架，進(jìn)一步推動歐洲在這一關(guān)鍵技術(shù)上加速發(fā)展。

　　法國：法國已將量子計(jì)算視為“主要關(guān)注領(lǐng)域”，其量子技術(shù)國家戰(zhàn)略計(jì)劃提出， 2021 年起法國國家研究局（ANR）的“量子技術(shù)中心”實(shí)施 AAPR 專項(xiàng)，每年超 1000 萬歐元，并在巴黎、薩克雷和格勒三個(gè)城市和地區(qū)創(chuàng)建三個(gè)“樞紐中心”，以支持涉及量子通信專家、網(wǎng)絡(luò)安全專家和電信設(shè)備制造商的 QKD 技術(shù)的研究。

　　英國：2013年，時(shí)任英國財(cái)政大臣 George Osborne 發(fā)起了 2.7 億英鎊的英國國家量子技術(shù)計(jì)劃（National Quantum Technologies Programme），該計(jì)劃在牛津大學(xué)、伯明翰大學(xué)、約克大學(xué)和格拉斯哥大學(xué)建立了四個(gè)量子技術(shù)中心。2015年，發(fā)布了《量子技術(shù)國家戰(zhàn)略》和《英國量子技術(shù)路線圖》，將量子技術(shù)發(fā)展提升至影響未來國家創(chuàng)新力和國際競爭力的重要戰(zhàn)略地位。2019 年，時(shí)任英國首相特雷莎·瑪麗·梅（Theresa Mary May） 宣布將大力投資量子計(jì)算的發(fā)展，政府將投資 1.53 億英鎊用于發(fā)展量子計(jì)算，而全球公司承諾在英國投資超過 10 億英鎊，總投資超過 12 億英鎊。

　　荷蘭：對于量子技術(shù)，荷蘭計(jì)劃在未來 10 年內(nèi)向 QuTech 投資 1.35 億歐元，QuTech 是由荷蘭臺夫特理工大學(xué)（TU Delft）與荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織（Netherlands Organization for Applied Scientific Research，TNO）共同成立的一家量子技術(shù)研究所，旨在加速全棧量子計(jì)算系統(tǒng)的研發(fā)。

　　俄羅斯：2019 年 12 月，俄羅斯副總理馬克西姆·阿基莫夫（Maxim Akimov）提出國家量子行動計(jì)劃，計(jì)劃 5 年內(nèi)投資約 7.9 億美元打造一臺實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)，并希望在實(shí)用量子技術(shù)領(lǐng)域趕上其他國家。此前，2018 年，俄羅斯前景研究基金科技委員會批準(zhǔn)于 2018-2021 年在俄羅斯發(fā)展量子計(jì)算機(jī)的項(xiàng)目，該項(xiàng)目將分階段逐步實(shí)施，其中，莫斯科大學(xué)已正在前景研究基金的支持下啟動項(xiàng)目“實(shí)體”部分的研制。

　　韓國：韓國于 2014 年發(fā)布《量子信息通信中長期推進(jìn)戰(zhàn)略》，希望在 2020 年成為全球量子通信領(lǐng)先國家。2019 年 1 月，韓國科學(xué)和信息通信技術(shù)部（MSIT）宣布，其量子計(jì)算技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目與 2019 年的下一代信息計(jì)算技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目已經(jīng)完成并準(zhǔn)備啟動。并將在未來五年內(nèi)，將投入 445 億韓元（約 4000 萬美元）用于開發(fā)量子計(jì)算機(jī)硬件、量子計(jì)算新構(gòu)架、量子算法、基礎(chǔ)設(shè)施等核心技術(shù)。

　　日本：2013 年，日本成立量子信息和通信研究促進(jìn)會以及量子科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)機(jī)構(gòu)，計(jì)劃未來 10 年投入 400 億日元（約 3.77 億美元）在量子信息技術(shù)的研發(fā)。2019 年 ，日本政府規(guī)劃了以量子技術(shù)研究開發(fā)戰(zhàn)略為支柱的路線圖，其中，關(guān)于性能優(yōu)于超級計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)，計(jì)劃在 10 年后開發(fā)出計(jì)算的基本單位（量子位）數(shù)量達(dá)到 100 個(gè)的機(jī)型。同時(shí)，為了推動量子技術(shù)的發(fā)展，日本政府計(jì)劃在 2020 年成立負(fù)責(zé)整體管理與協(xié)調(diào)的主管機(jī)構(gòu)，在 8 個(gè)領(lǐng)域建立核心研發(fā)基地，并在 5 年內(nèi)不斷完善量子計(jì)算研發(fā)體系。

　　美國：除 2002 年美國國防部高級研究計(jì)劃局（DARPA ）制定的《量子信息科學(xué)與技術(shù)規(guī)劃》外，2008 年，DARPA 斥巨資啟動名為“微型曼哈頓計(jì)劃”的半導(dǎo)體量子芯片研究計(jì)劃，將量子計(jì)算研究列為與原子彈研制同等重要的高度。2018 年 6 月，美國眾議院科學(xué)委員會高票通過《國家量子倡議法案》，計(jì)劃在 10 年內(nèi)撥給能源部、國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所和國家科學(xué)基金 12.75 億美元，推動量子科學(xué)發(fā)展。同年 12 月，美國總統(tǒng)特朗普簽署了美國國會提交的《國家量子計(jì)劃法案》，落實(shí)“國家量子計(jì)劃”正式成為美國法律，為美國加速量子科技的研發(fā)與應(yīng)用，奪取戰(zhàn)略性領(lǐng)先優(yōu)勢提供了立法保障。2020 年 4 月，根據(jù)美國最新國會審議的預(yù)算，特朗普政府將 2021 年科研經(jīng)費(fèi)整體削減了近 10%，但量子信息科學(xué)的開支卻增加約 20% 至 2.37 億美元，其中，能源部要求 2500 萬美元來加速量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。如果獲得國會批準(zhǔn)，將為推動量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供重要資金基礎(chǔ)。

　　中國：如此重要的科技領(lǐng)域，我國也是積極投入研發(fā)。自2016年起，中國發(fā)布多項(xiàng)量子技術(shù)相關(guān)政策。2016年8月我國頒發(fā)《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，將量子計(jì)算機(jī)列入科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目，研制通用的量子計(jì)算原型機(jī)和實(shí)用化量子模擬機(jī)?！笆奈濉币?guī)劃期間，全國多個(gè)省級行政區(qū)出臺地方發(fā)展規(guī)劃，支持量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展。今年7月25日，在座談會上，工信部表示將加強(qiáng)通用人工智能、6G、量子科技等未來產(chǎn)業(yè)前瞻布局，打造競爭新優(yōu)勢。

　　目前，各國在量子計(jì)算領(lǐng)域的研發(fā)投入仍然在加速中。根據(jù)第三方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，僅2023年上半年就有11個(gè)國家發(fā)布或啟動了本國的量子戰(zhàn)略，包括加拿大、英國、日本、德國、瑞典、荷蘭、印度、澳大利亞、丹麥和韓國等。

　　不過，要研制成功量子計(jì)算機(jī)還有很長的路要走。國際主流觀點(diǎn)認(rèn)為，這至少還需要5年到10年時(shí)間的努力。量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算的競爭是一個(gè)長期的動態(tài)過程，雖然人們操縱量子比特的數(shù)量和精準(zhǔn)度在不斷提升，但是經(jīng)典計(jì)算的算法和硬件也在不斷優(yōu)化，超算工程的潛力更是不可小覷。

責(zé)任編輯：張薇