量子計(jì)算的中國速度：“九章三號(hào)”震撼全球

隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，人類對(duì)計(jì)算機(jī)算力的需求顯著增加。2023年，中國科學(xué)家發(fā)布的“九章三號(hào)”量子計(jì)算機(jī)原型，為解決這一問題提供了一個(gè)重要的路徑和可能性。

“九章三號(hào)”是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心共同合作研發(fā)的光量子計(jì)算機(jī)。它可操縱的光子數(shù)目為255個(gè)，打破了光量子計(jì)算機(jī)中可控光子數(shù)目的世界紀(jì)錄。

量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”實(shí)驗(yàn)裝置（局部示意圖）。

圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

那么，什么是量子計(jì)算機(jī)？“九章三號(hào)”為什么如此重要？為了搞清楚這一點(diǎn)，我們要先從量子計(jì)算說起。

量子計(jì)算與量子計(jì)算機(jī)

在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的時(shí)候，記錄信息的最小單位是比特（bit）。一個(gè)比特可以記錄的信息是0或1其中的一個(gè)狀態(tài)，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)能完成各種復(fù)雜的任務(wù)，都是基于這些0和1的邏輯運(yùn)算。

而在量子計(jì)算機(jī)中，用來記錄信息的最小單位是量子比特（qubit），因?yàn)榱孔哟嬖谝恍┨厥獾男再|(zhì)，所以基于量子比特的計(jì)算機(jī)也擁有一些特殊優(yōu)勢(shì)。

比如，量子存在疊加態(tài)。

疊加態(tài)是說量子在被觀測(cè)之前，它的狀態(tài)是不確定的，可以是0和1的疊加狀態(tài)。這就賦予量子比特能同時(shí)表示多種狀態(tài)的能力。

在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)里，一個(gè)比特只能表示0或1中一種狀態(tài)，而一個(gè)量子比特，可以同時(shí)表示0和1兩個(gè)狀態(tài)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)里的兩個(gè)比特，只能表示00，01，10，11四個(gè)狀態(tài)中的一種，而兩個(gè)量子比特可以同時(shí)表示這四種狀態(tài)。

依此類推，3個(gè)量子比特，能夠同時(shí)表示8種狀態(tài)，4個(gè)量子比特，能同時(shí)表示16種狀態(tài)，n個(gè)量子比特，可以表示2的n次方種狀態(tài)。

另外，量子之間還存在量子糾纏的現(xiàn)象，一個(gè)量子的狀態(tài)變化會(huì)瞬間影響另一個(gè)量子的狀態(tài)，這使得量子計(jì)算機(jī)在處理信息的時(shí)候，能在指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的高維空間中進(jìn)行編碼和處理，在進(jìn)行某些計(jì)算的時(shí)候，獲得強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，速度可以大大超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

“九章”系列光量子計(jì)算機(jī)

在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)時(shí)，有幾條不同的技術(shù)路徑，比如利用超導(dǎo)約瑟夫森電路中的一對(duì)超精細(xì)能級(jí)作為量子比特。而我們國家建立的“九章”系列光量子計(jì)算機(jī)，則是利用光子狀態(tài)作為量子比特。

2017年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)就成功構(gòu)建了世界上首臺(tái)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)。

2020年，中科大潘建偉院士團(tuán)隊(duì)又和中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算工程技術(shù)研究中心合作，一同構(gòu)建了具有76個(gè)可控光子的“九章”光量子計(jì)算機(jī)原型。

“九章”首次在國際上實(shí)現(xiàn)了光量子計(jì)算機(jī)的“量子計(jì)算優(yōu)越性”。證明了光量子計(jì)算在處理特定復(fù)雜問題上具有卓越的能力。而之所以起“九章”這個(gè)名字，也是為了紀(jì)念中國最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。

2021年，能探測(cè)113個(gè)光子的“九章二號(hào)”誕生，它在處理高斯玻色取樣這個(gè)問題上的能力已經(jīng)比當(dāng)時(shí)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快1億億億倍。

而到了2023年10月，“九章三號(hào)”原型機(jī)成果發(fā)布?！熬耪氯?hào)”能夠精確操控255個(gè)光子，在處理高斯玻色取樣問題上的能力比“九章二號(hào)”快了一百萬倍。如果和目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”（Frontier）相比，“九章三號(hào)”在百萬分之一秒內(nèi)能夠解決的問題，“前沿”超級(jí)計(jì)算機(jī)需要200億年的時(shí)間。

超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的極限

在過去八十多年的時(shí)間里，人類一直在研發(fā)更先進(jìn)的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度確實(shí)有了顯著提升，也誕生了諸如“前沿”“神威·太湖之光”之類的超計(jì)算機(jī)。

但傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的算力提升主要是靠增加芯片里的晶體管數(shù)量來實(shí)現(xiàn)的，而為了提高晶體管信息處理的能效比，需要不斷縮小晶體管的尺寸。目前晶體管的尺寸已經(jīng)達(dá)到10nm量級(jí)，量子效應(yīng)已經(jīng)變得不可忽略。而芯片發(fā)熱和能耗問題，也可能使傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的算力增長(zhǎng)遇到“天花板”。

而隨著人工智能的發(fā)展，特別是大規(guī)模的AI模型訓(xùn)練和應(yīng)用，對(duì)算力需求快速增加。在此背景下，量子計(jì)算機(jī)憑借其超強(qiáng)的并行計(jì)算能力，展現(xiàn)出為未來算力提供飛躍式提升的潛力。此外，在密碼破譯、組合優(yōu)化、化學(xué)藥物開發(fā)等方面，量子計(jì)算機(jī)也可能發(fā)揮重要作用。

中國量子計(jì)算機(jī)未來可期

從“九章”到“九章三號(hào)”，中國科學(xué)家們不斷刷新量子計(jì)算機(jī)的世界紀(jì)錄，展示了光量子計(jì)算在解決復(fù)雜問題上的卓越能力。中國在量子計(jì)算領(lǐng)域的研究實(shí)力和技術(shù)創(chuàng)新能力已經(jīng)得到了全球認(rèn)可。

在量子計(jì)算機(jī)的幫助下，2024年7月，潘建偉院士團(tuán)隊(duì)首次成功構(gòu)建了超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子模擬器。這是量子計(jì)算領(lǐng)域具有里程碑意義的一步，這意味著人類可以利用專用量子模擬機(jī)來求解某些重要的科學(xué)問題。

相信通過不斷地努力和創(chuàng)新，中國在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的成就必將進(jìn)一步凸顯，為人類社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步作出更大的貢獻(xiàn)，為科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新的動(dòng)力。

作者：田達(dá)瑋 科普作者

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