彭天放得到《硬科技报告》:中国量子计算原型机“九章”问世

中国量子计算原型机“九章”问世,首次实现量子优越性。

12月4号,中国科学技术大学潘建伟院士的研究团队在《科学》杂志上发表了一项里程碑式的突破——我国量子计算的原型机“九章”正式问世了,并且在解决高斯玻色子取样这个数学问题上,达到了今天最快的超级计算机100万亿倍的计算速度。这也让我国成为继去年的美国之后,世界上第二个实现了“量子优越性”的国家。

这里所谓的“量子优越性”的概念,可能一些同学有点陌生。其实它跟另一个我们更熟悉的说法——“量子霸权”是同一个概念,仅仅是英文翻译的区别。它指的是,当我们能运用量子计算的原理,计算某个数学问题的速度,远远超过今天最强大的超级计算机的时候,就可以说我们在这个问题上实现了“量子优越性”。

看到这项进展之后,我想很多同学一定会好奇,既然“九章”已经比现在最快的超级计算机快100万亿倍了,那像是破解比特币的加密算法、药物研发、人工智能运算等等这些事情,是不是现在一瞬间就可以完成了?

很可惜,答案是不能。尽管“九章”原型机的技术成就很了不起,但绝大部分像是上面提到的这些有实用价值的运算任务,目前看来还是完全没法处理的。而且不仅“九章”没法运行这些任务,去年同样实现了量子优越性的,来自美国谷歌公司的“悬铃木”原型机也没法运行。

这是为什么呢?这是因为,今天很多人在听到科学家实现了“量子优越性”的时候,往往跟另一个非常重要的概念弄混了——那就是堪称计算机工程师终极梦想的“通用量子计算机”。

我们大部分人心目中想的那种既可以破解密码,又可以做科学计算,甚至像电影《头号玩家》里面那样,能够干脆创造一个平行世界的无所不能的计算机,大概都是这种“通用量子计算机”。今天我们实现的“量子优越性”,其实只是迈向这个终极梦想的第一步。

为什么说“通用量子计算机”是计算机工程师的终极梦想呢?最重要的原因是它的运算能力简直强大到让我们难以想象。我们做一个粗略的对比:今天世界上最强的超级计算机日本的“富岳”号,大概是由800万块芯片组成的。按照每块芯片有100亿个晶体管算下来,“富岳”号里面大概有2的53次方个晶体管。而我们知道,量子计算机利用的是量子系统具备叠加态的特点,每一个参与运算的量子比特是可以处于既是0又是1的状态的。这就意味着n个通用量子比特,大概相当于传统计算机中2的n次方个晶体管的效果。换句话说,通用量子计算机如果想要超过“富岳”号的800万块芯片,其实也只需要大概50多量子比特的就可以了。


2020年世界排名第一的超级计算机——富岳(Fugaku),部署在日本。

听起来是不是前景非常诱人?但是很可惜的是,量子系统本身非常容易受到外界环境的干扰,真正在现实中要把它搭建成用来计算的设备,是一个极为困难的工程难题,甚至通用量子计算机是不是真的有可能被建造出来,大家心里都还没有底。

于是,全世界的计算机科学家们就在想,我们能不能先初步搭建一个样品。在一些非常特殊的问题上先试一试量子计算到底能不能行?这个思路,就是今天所谓“量子优越性”的来源。

现在当我们说在实验室里实现了“量子优越性”,指的都是科研人员通过高超的工程能力搭建的实验系统,初步验证了量子计算的原理,确实可以在一些特定数学问题上,比传统计算机更快地得到结果。它主要的意义,在于通过实验验证量子计算的可行性。这也是中国和美国研究论文中所使用的设备,都被叫做量子计算“原型机”的原因。

另外值得注意的是,这些研究中用来验证量子计算优越性的数学问题,其实是专门针对原型机的特点量身定制的。而不是很多人误解的,为了解决实际问题而设计原型机。比如,谷歌公司的原型机“悬铃木”,计算的就是一个叫做“随机线路采样”的任务;而我们这一次的原型机“九章”,计算的是一个叫做“高斯玻色子采样”的任务。


谷歌公司的原型机“悬铃木(Sycamore)”

这些数学问题的细节,你不用过多关心。你需要了解的是,它们都是科学家们精心挑选出来的,对于传统计算机来说运算量巨大,而量子原理下的运算特别有优势的问题。

打个不太恰当的比方,这就好比我们想用白开水来做计算机,需要验证白开水的优越性。就必须选择一个对白开水特别有利的数学问题,经过精心筛选之后呢,我们选择“水分子的平均动能”这个问题。

传统计算机怎么计算这个问题呢?——它需要模拟数以万亿计的分子的速度、位置还有相互碰撞。而我们的白开水计算机,只需要烧一杯开水,再冻一杯冰水,把它们对到一起,再用温度计测量一下温度,就得到了杯中这些水分子的平均动能。这样,我们就验证了白开水计算机,在水分子平均动能这个问题上的优越性。

不过听到这里,有些同学可能会说“你这不是在开玩笑吧?要是这样的话我在茶水间就能做出一台量子计算机”——诶,先别急,上面这个例子,其实是把量子计算用生活中平常的现象,来说明科学家验证量子优越性的思路。

真正的魔鬼在后面,那就是把上面的白开水换成光量子,搭建出一套真正具备优越性的光量子原型机。这个工程难度非常高,甚至以往在科学界,搭建20个以上光量子的原型机,被认为是几乎不太可能的任务。这也是这一次潘建伟院士的团队最了不起的地方。

搭建量子系统有多难呢?首先,你需要每一次都能精确产生一些光量子的光源(这篇研究中叫做单模压缩态光源)。让光量子进行模拟运算的光路系统,也要非常精密,这个精密程度相当于每百公里不能误差超过一个头发丝的精确度。而且,用来探测运算结果的光子探测器,需要能够精确地分辨出哪怕只有一个光子的能量。

这些设备听起来可能比较陌生,具体的名称你也不用专门记。你需要注意的是,上面提到的像是量子光源、单光子探测器这些设备,可不是市场上直接买来就能用的,需要科研人员们自己进行研发。

除此之外,这样一个复杂的量子光学系统,在真正搭建的过程中会面临大量的误差和干扰。甚至在屋里面跺一下脚,吹一口气,都有可能破坏实验室中精心搭建的光路系统。而这一次,我国的科学家们凭借着非常强大的工程技术能力,搭建出了这次76个光量子的原型机,确实非常了不起。

不过有同学可能还会好奇,人类现在实现的这种“量子优越性”,距离我们的终极目标“通用量子计算”还有多远呢?我们打个比方来说,这就如同1947年人类发明第一枚晶体管,到今天随处可见的集成电路芯片一样,可能至少还有几十年的时间。目前看,未来大概分成三个阶段:

首先,是学术界认为在未来5-8年内会逐渐诞生规模更大、可靠性更高的量子计算原型机;在这之后的第二个阶段,我们逐渐会让这种只能执行一种算法的量子原型机,具备一定程度的扩展性,作为专用计算机解决有实际应用价值的问题。最后一个阶段,才可能诞生计算机工程师的终极梦想——通用量子计算机。

不过注意,我这里说的是可能诞生,因为量子计算究竟能不能实现类似今天手机电脑这样通用化的计算,在理论层面上都还没有定论。但是我们愿意期待,在有生之年能看到这一天。因为这就是今天的工程师们能够想象出的,在信息处理这个维度上,最远的地平线。

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