[科普中国]-破世界纪录,中国光量子计算机诞生

超越早期经典计算机,速度比国际同行快24000倍

3日上午,中国科学技术大学潘建伟院士在上海宣布:世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生,这个“世界首台”是货真价实的“中国造”。这项成果属中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳、朱晓波等,联合浙江大学王浩华教授研究组攻关突破的成果。我国科研团队成功构建的光量子计算机,首次演示了超越早期经典计算机的量子计算能力。

计算速度还不快

却是突破性进展

根据新华社通稿,这台量子计算机原型机的取样速度比国际同行类似的实验加快至少24000倍,通过和经典算法比较,也比人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机运行速度快10倍至100倍。同时,潘院士还说,这台光量子计算机标志着我国在基于光子的量子计算机研究方面取得突破性进展,为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了坚实基础。

从新华社短短二百字的通稿中,我们就能得到几个信息:首先,我们的计算机比国外同行的计算机要快24000倍。另外,这台原型机的运算速度超过了第一台电子管计算机和晶体管计算机。

我们知道,人类第一台电子管计算机叫作埃尼阿克,诞生于美国宾夕法尼亚。想当初,它的机箱装满了好几间屋子,却只能每秒进行5000次加法运算。目前普通家用计算机每秒可进行几亿次运算,而神威太湖之光的计算速度大约为十亿亿次。新造出来的量子计算机,若计算速度百倍于埃尼阿克,最多也就是每秒钟几十万次。

虽然单看这个速度没什么了不起,却是量子计算机第一次超过经典计算机。尽管其目前计算能力还很微弱,但在可预见的将来,此类突破应当会接踵而至,从而迅速提高量子计算机的效率,最终超过发展趋于停滞的经典计算机。有业内人士甚至预测,在我们有生之年,还能看到量子计算机的民用化。

量子计算机

到底是个啥?

说到量子计算机,很多人可能都不太懂,想一句话解释清楚也不那么容易。若要用一个最形象的话语来解释经典计算机和量子计算机的区别,则可以参考这个测量山体高度的例子:若让计算机在十几座山峰中挑出一个最高的,它会如何做?最普通的计算机,会拿着尺子,一个个地爬上去量出来每座山的高度。而随着科技的进步,更先进的经典计算机可以不断地在群山中穿梭,当它发现它正爬的这座山似乎不会是最高峰时,他就会收起尺子,立即转向另一座山。

但对于量子计算机,它会坐上直升机,在山里飞来飞去。它不用再拿着尺子,而是用肉眼看,很快就能目测出哪个山最高。这种算法由于脱离了经典计算机的算法,因此被归于量子计算的范畴,被称为“量子退火”。之前,美国科学家研制出的量子计算机D-Wave,就属于量子退火的范畴。

但量子退火算法也有局限性,未来的量子计算机,其实采用了比量子退火更高级的算法。就好比坐上滑翔机,根本不用在山里飞来飞去,直接飞到最高处,就能判断出最高峰是哪个。这就是传说中的量子算法。

说白了,量子计算能够实现多个线程的同时计算,速度自然就提上去了。当然,量子计算机的计算速度取决于其能操纵的超导量子比特数量。这一领域,也成为各国科学家竞争的重点。

暂时领先

但竞争依旧激烈

“量子计算基础研究领域有几个大家共同努力的指标性节点:第一,展示超越首台电子计算机的计算能力；第二,展示超越商用CPU的计算能力；第三,展示超越超级计算机的计算能力。我们实现的只是其中的第一步,一小步,却是重要的一步。”潘院士介绍说。

曾经有科学家预测,除非量子计算机操控的比特数超过50个,量子计算机才能超过现有的经典计算机。此次,中国科学家的成果为10个超导量子比特,超过了之前由谷歌、美国航天航空局和加州大学圣芭芭拉分校公开报道的9个超导量子比特的纪录。

但也有分析称,尽管欧美等国公开报道的成果是9个,但谷歌之前已经放话,要在今年年底之前把超导量子计算做到50个比特,真正实现量子计算的霸权——超越经典计算机。因此,这一领域的竞争还远未结束。更何况,即使获得了量子计算霸权,让其真正具备解决问题的能力也是路途漫漫。比如说,这次潘院士的一大成果就是在4个超导量子比特上运行了一个解线性方程组的量子算法,与真正复杂的问题还相距甚远。

在潘建伟看来,谷歌、IBM等公司拥有人才优势。尤其是谷歌,目前仍可以算是量子计算机里的领头羊。但这次,研究团队通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作实现10比特量子态的成果,使中国在超导体系量子计算机研究领域也进入世界一流水平行列。

根据计划,潘建伟的研究团队将在今年年底实现大约20个光量子比特的操纵,20个超导量子比特样品的设计、制备和测试,量子计算机的速度将会成指数增长。也许到时候,又一张闪亮的国家名片又将出现。

本稿件所含文字、图片和音视频资料，版权均属齐鲁晚报 本报记者 高寒 整理

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