“九章”和Horse Ridge對于量子計算的發(fā)展有哪些意義?

今天，發(fā)生了兩件和量子計算有關(guān)的新聞，一則是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團隊構(gòu)建的量子計算原型機“九章”實現(xiàn)了突破，另一則是英特爾宣布推出第二代Horse Ridge低溫量子控制芯片。

12月4日，據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)消息，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。根據(jù)現(xiàn)有理論，該量子計算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍。

也是在12月4日，英特爾在其全球研究院開放日活動上宣布推出第二代Horse Ridge低溫量子控制芯片，標志著其在量子計算可擴展性上取得里程碑進展，因為可擴展性是全球量子計算的最大難點之一。

“九章”和Horse Ridge對于量子計算的發(fā)展有哪些意義？他們突破了哪些量子計算難點？目前量子計算各家技術(shù)路線分別面臨什么問題？

“九章”突破了什么？

潘建偉院士團隊所研發(fā)的量子計算機原形機取名“九章”，是為了紀念中國古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。據(jù)介紹，目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”對于處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級計算機“富岳”快一百萬億倍，等效地比谷歌去年發(fā)布的53比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。同時，通過高斯玻色取樣證明的量子計算優(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量，克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞?！熬耪隆陛敵隽孔討B(tài)空間規(guī)模達到了1030（“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)模是1016，目前全世界的存儲容量是1022）。

這一成果的相關(guān)論文于12月4日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處于國際領(lǐng)先水平。2017年，該團隊構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機（ENIAC）的光量子計算原型機。2019年，團隊進一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出復(fù)雜度相當于48個量子比特的希爾伯特態(tài)空間，逼近了“量子計算優(yōu)越性”。

據(jù)悉，潘建偉團隊這次突破主要是攻克了高品質(zhì)光子源、高精度鎖相、規(guī)模化干涉三個技術(shù)難題。而基于“九章號”量子計算原型機的高斯玻色取樣算法在圖論、機器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。

本源量子計算機公司副總經(jīng)理張輝在接受《中國電子報》記者采訪時表示，九章取得了很大的突破，水準很高。光學(xué)量子計算機在早期科研方面可以發(fā)揮很大作用，但其工程化難度較大。

光學(xué)量子與電學(xué)量子各有何特點？

量子計算被視為“皇冠上的明珠”，全球諸多大公司都投入這場明珠爭奪戰(zhàn)。目前量子計算主要分為固態(tài)器件（也可稱之為電學(xué)路線）和光學(xué)路線兩大類量子計算路線。IBM與谷歌所走的是超導(dǎo)量子計算路線，英特爾所走的是半導(dǎo)體量子技術(shù)路線，無論是超導(dǎo)還是半導(dǎo)體都屬于固態(tài)器件路線，都屬于電學(xué)路線。所以谷歌、IBM、英特爾這三家公司屬于“固態(tài)器件路線派”。

“九章屬于光學(xué)路線，”張輝表示，“光學(xué)路線的光量子在相干時間上有優(yōu)勢，因為光受環(huán)境干擾比較少。但是其可操控性較弱，而且與經(jīng)典計算很難實現(xiàn)兼容。所以包括IBM、英特爾、谷歌等都沒有選光學(xué)，而是選擇了固態(tài)器件。這樣可以借用固態(tài)器件上的工藝，實現(xiàn)器件的小型化。目前世界上80%以上的量子計算都采用了固態(tài)器件的路線，因為它有很好的工業(yè)基礎(chǔ)，而且與經(jīng)典計算能夠更好地融合，更容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、工程化?！?/p>

“英特爾之所以選擇固態(tài)器件路線，因為它比較有現(xiàn)實意義，是能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化的系統(tǒng)。量子計算機要成為商業(yè)化的系統(tǒng)需要具備幾個條件：一是解決穩(wěn)定性，有足夠多可用的高質(zhì)量的穩(wěn)定的量子。二是需要實現(xiàn)操控性，因為要控制其交錯、相干、交互等。三是批量化生產(chǎn)硬件。” 英特爾中國研究院院長宋繼強在接受《中國電子報》記者采訪時表示，“英特爾今天推出的Horse Ridge II低溫量子控制芯片，解決的是第二步的問題?！?/p>

宋繼強進一步表示，目前業(yè)界使用的微波器件主要是常溫態(tài)，而量子是在極低溫的環(huán)境中才能存在的。要做成系統(tǒng)，就需要將常溫態(tài)的器件與低溫態(tài)的量子進行連接，這就相當于要將很多電纜綁在一起穿進大冰箱中，其中有串擾、衰減等等問題。Horse Ridge II低溫控制芯片解決的就是這個問題，進一步簡化了量子電路的控制，提高保真度，降低功率輸出，這樣集成量子電路才有可能往前邁進一步，量子計算系統(tǒng)實現(xiàn)商用才有可能性。

光學(xué)路線與電學(xué)路線量子計算，究竟哪種在未來會更成功，業(yè)界并沒有給出定論，但是從與經(jīng)典計算的兼容、從現(xiàn)有工藝與產(chǎn)業(yè)資源的成熟度、商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化等綜合維度來看，固態(tài)器件都有明顯的優(yōu)勢，這也就是為什么包括谷歌、IBM、英特爾等都選擇了該方向的技術(shù)路線進行探索的原因。

“如果光學(xué)量子要發(fā)展，最后也需要與電學(xué)進行集成和兼容，因為目前從光學(xué)路線看，其集成化、小型化、工程化難度都比較大。”張輝對記者表示，“真正衡量量子計算能力是看用它來解決問題消耗的資源與經(jīng)典計算相比，誰消耗的資源更小?！?/p>

有國外專家表示，潘建偉、陸朝陽團隊實現(xiàn)了巨大的技術(shù)突破，水平遠超其他高斯玻色采樣試驗。除了量子計算，該項突破在量子通信方面也有很大裨益，能幫助建立量子通信網(wǎng)絡(luò)和量子互聯(lián)網(wǎng)。

有信息透露，潘建偉院士旗下同樣有團隊正在進行電學(xué)路線的量子計算研究，只是目前尚未對外公布。
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