比超算快亿倍!200秒内,九章如何实现我国“量子霸权”?

宇宙万象奥妙 2022-04-01 18:43:06

2019年9月,英国《金融时报》基于一篇在NASA网站上短暂出现的文章报导:“谷歌声称已经用54个量子比特的数组(其中53个功能正常)的量子计算原型机悬铃木在200秒内对一个量子线路取样一百万次,而利用当时世界排名第一的超级计算机 “顶点” 完成相同运算至少需要10000年才能完成”。

同年十月,谷歌在自然期刊发表了一篇量子计算的论文,暗示它已经实现了量子霸权。此论文发表不久后,美国总统特朗普的女儿伊万卡在社交媒体上表示:“我们很自豪能够为这个重要的里程碑、量子霸权做出贡献,并在美国迎来下一代量子技术!”

但很快,谷歌的竞争对手IBM表示:谷歌没有充分利用现代超级计算机的全部力量,若能有效率地使用“顶点”超级电脑的硬盘和并行计算资源,可以将10000年运算时间降低至2.5天。不过计算53和54个量子比特分别需要64PiB和128PiB的硬盘空间。

量子计算机和经典计算机有什么区别?

自1940年代以来,我们一直在使用的各种形状和形式的系统——笔记本电脑、智能手机、云服务器、超级计算机——被称为传统计算机。这些是基于比特的,比特是一种信息单位,为设备中发生的每一次计算提供动力。在经典计算机中,每个位都可以取值1或0,以表示和传输用于执行计算的信息,使用位,开发人员可以编写程序,这些程序是由计算机读取和执行的指令集。

在过去的几十年里,传统计算机一直是不可或缺的工具,但比特的不灵活性是有限的。举个例子,如果你让一台普通的计算机找出迷宫的出路,它会依次尝试每一个分支,逐个排除它们,直到找到正确的分支。

而与传统计算机不同,量子计算机的特性可以同时沿着迷宫的每一条路径走下去,从而在最短的时间内找到出口。这是因为量子计算机是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备,量子计算用来存储数据的对象是量子比特,它使用量子算法来进行数据操作。

这意味着,当需要进行多点位计算时,例如一家物流公司向50个城市运送货物,想知道节省燃料成本的最佳路线;一家制药公司想要模拟分子以更好地了解药物相互作用等。量子计算机可以使用量子位同时运行多个计算探索许多不同的途径以找到答案。

量子计算机能做什么?

量子计算机应用广泛,目前涉及解密与密码学、量子化学、量子物理和人工智能等领域。这几乎涵盖了人类社会的方方面面,将对人类生活产生重大影响。然而,目前最好的量子计算机还不能表现出量子计算的优势。虽然量子计算机上的量子比特数已经超过50个,但运行算法所需的电路深度还远远不够,主要原因是量子比特在计算过程中的错误率仍然很高。

尽管我们可以使用量子比特的量子校正和容错量子计算,但在量子计算的情况下,逐渐提高数据的精度将大大增加硬件的生产难度和算法的复杂度。目前,一些知名算法的实现仅达到概念论证的水平,也就是论证量子计算的可行性,但实际应用还有很长的路要走。

正如谷歌首席首席执行官Sundar Pichai受访时所说,谷歌的量子计算实验就是像是莱特兄弟首次飞行第一架飞机,虽然只飞行了12秒钟,并没有实际应用性,但这仍然表明飞机的概念是可行的。

中国的量子计算怎么样了?

2020年12月4日,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。

据介绍,虽然九章在短短200秒内就实现了高斯玻色采样,但研究人员估计,同样的计算,即使是当时世界上最快的超级计算机富岳也需要6亿年才能完成!这意味着我国已成功达到量子计算领域的第一个里程碑——“量子霸权”!

全球量子竞赛已开始

据科学网报道,近年来,全球推动量子科技发展的热情高涨。2013年,英国政府拨款2.7亿英镑(约合25亿元人民币),支持英国国家量子技术项目(UKNQTP)的第一个“5年计划”。 2018年11月,在英国脱欧阴影下,欧盟启动量子科技旗舰项目计划,总预算10亿欧元,为期10年。首批20个旗舰项目总金额达1.32亿欧元。

2018年12月,美国签署国家量子法案,全方位加速量子科技的研发与应用。根据法案,美国将制定量子科技长期发展战略,实施为期10年的“国家量子计划”,预计5年内斥资12.75亿美元开展量子信息方面的研究。而法国也于去年1月已18亿欧元入局,成为继中美之后,资金投入方面第三大的国家。

在过去几年里,量子计算领域蓬勃发展,股权投资几乎翻了三倍。据波士顿咨询集团 (BCG) 最近的研究,量子计算所带来的进步可能会在未来15到30年创造高达8500亿美元的价值,其中5到100亿美元将在未来五年内产生。

目前,英特尔还在与IBM一起开发量子计算机。QuTech在荷兰也已测试了第一个包含17 个量子比特的测试芯片,英特尔表示已使用独特的设计来提高芯片性能和产量。英特尔量子芯片的尺寸约为25毫米,这提高了热性能、可靠性并减少了量子位之间的射频干扰。与进出芯片的引线键合模型相比,这允许多达100个信号的可扩展互连方案。

而我国也于1月23日,推出首个量子计算全球开发者平台。该平台前身为国内首个以“量子计算”为主要特色的双创平台,旨在将该平台打造成国内首个“经典-量子”协同的量子计算开发和应用示范平台,推进量子计算产业落地。

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