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中國量子計算技術(shù)“至少追平西方”
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| 發(fā)布時(shí)間：
2021/11/8 |
中國學(xué)者近日發(fā)表論文指出，其最新研發(fā)的超導量子計算級與光量子計算機實(shí)現了創(chuàng )紀錄的運算性能。德國同行指出，這說(shuō)明中國在這一基礎研究領(lǐng)域至少追平了西方水平。不過(guò)，目前全球的量子計算機尚處原型機階段，和實(shí)際應用相距甚遠。
近日，中國科學(xué)院的學(xué)者對外界表示，在超導量子計算和光量子計算方面都取得了重要進(jìn)展，其中，66量子比特(Qubits,又譯量子位元)的可編程超導量子計算原型機"祖沖之二號"比目前最快的超級計算機快一千萬(wàn)倍，計算復雜度比谷歌的超導量子計算原型機"懸鈴木"(Sycamore)高一百萬(wàn)倍。
2019年，54量子比特的谷歌"懸鈴木"成為了全球首個(gè)實(shí)現"量子優(yōu)越"(Quantum Supremacy,又譯量子霸權)的量子計算機，大幅超越了傳統超級計算機的性能。不過(guò)，"懸鈴木"只能處理一些非常抽象的特定任務(wù)，和日常應用場(chǎng)景還有很大的距離。
此次由中國學(xué)者研發(fā)的"祖沖之二號"，按照研發(fā)團隊的說(shuō)法，其處理任務(wù)的難度比"懸鈴木"高出2~3個(gè)數量級。領(lǐng)銜此項研究的中科院院士潘建偉對中國央視表示，接下來(lái)將攻關(guān)量子糾錯，從而探索使用量子計算來(lái)解決一些具有重大應用價(jià)值的科學(xué)問(wèn)題。
除了使用超導量子計算技術(shù)的"祖沖之二號"，潘建偉團隊此次還推出了光量子計算原型機"九章二號"，其每毫秒的運算能力相當于傳統超級計算機運算3000億億年。不過(guò)，"九章二號"目前也同樣只能處理特定任務(wù)，尚不適合應用場(chǎng)景。
美國參議員舒默（Chuck Schumer）正要求國會(huì )起草法案，希望加強美國在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，以抗衡中國。專(zhuān)家告訴德國之聲，過(guò)去特朗普政府針對中國科技的制裁只能是暫時(shí)性措施，長(cháng)遠必須得加強自身競爭力。
近年來(lái)，中國在量子科技領(lǐng)域取得了全球領(lǐng)先地位。就在2020年，潘建偉團隊與牛津大學(xué)等國際科研機構的學(xué)者在相隔上千公里的兩個(gè)地面基站之間，實(shí)現了基于量子糾纏的無(wú)中繼量子保密通信。這些科學(xué)家還利用"墨子號"量子通信實(shí)驗衛星作為量子糾纏源，首次實(shí)現了相距上千公里的兩地分發(fā)量子密鑰。
而此次"祖沖之二號"以及"九章二號"的研究成果，則被亞琛理工大學(xué)物理學(xué)教授、德國于利希超算研究中心量子通信專(zhuān)家米歇爾森(Kristel Michielsen)點(diǎn)評為"至少達到了西方的量子計算水平"。
中科院院士潘建偉則強調，其團隊研發(fā)的"祖沖之二號"具有66量子比特，因此其性能為54量子比特的谷歌"懸鈴木"的四倍。不過(guò)這兩臺原型機在處理試驗任務(wù)時(shí)，都沒(méi)有運用到其最大算力。
科學(xué)家預計，量子計算機今后有望實(shí)現搜索算法加密、物理仿真、化學(xué)分子模擬構建、人工智能等方面的應用。物理學(xué)家米歇爾森說(shuō)："盡管這些應用目前都還沒(méi)有實(shí)現，但是量子計算原型機至少證明它能夠處理這些高難度的任務(wù)。"
潘建偉則指出，目前的量子計算原型機錯誤率依然太高，因此無(wú)法投入到實(shí)際應用場(chǎng)景中去。
量子比特的穩定性問(wèn)題依然是全球研發(fā)人員面臨的重大挑戰。米歇爾森說(shuō)："首先要試圖制作出高品質(zhì)的量子比特以及量子邏輯門(mén)，但是要保持它們的穩定，我們現在只能做到非常短的時(shí)間。"
對于超導量子計算機而言，穩定的量子態(tài)目前只能維持30~95毫秒，科學(xué)家現在只能爭取在這一瞬間讓量子計算機處理實(shí)驗任務(wù)。
量子計算機的算力會(huì )隨著(zhù)量子比特數量的增加而大幅上升，但是同步上升的也有錯誤率。米歇爾森說(shuō)："在運行算法時(shí)，這就可能導致出錯。甚至會(huì )出現這樣的情況，理論算力更低的量子計算機反而展現出了更好的性能。為了糾錯，就不得不使用更多的量子比特。"
中國學(xué)者潘建偉則在接受中國央視采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)："下一步我們希望能夠通過(guò)4到5年的努力實(shí)現量子糾錯。"
章二號"光量子計算原型機則在可編程性方面取得了一定的突破。潘建偉在其研究論文中指出，相比以往的光量子計算設備，"九章二號"實(shí)現了對算法的更高掌控，而且能夠完成一步以上的運算。
以往，光量子計算機一直被認為是不可編程的，其應用場(chǎng)景將十分有限。德國物理學(xué)家米歇爾森說(shuō)："量子計算的可編程性指的是：能夠對量子比特進(jìn)行控制。對于超導量子計算而言，可以通過(guò)向量子邏輯門(mén)發(fā)送脈沖信號來(lái)實(shí)現對量子比特的控制。"科學(xué)家可以通過(guò)量子算法完成極大的運算量，比如計算出某種分子的最低能態(tài)。
米歇爾森指出，在最新的光量子計算技術(shù)中，科學(xué)家使用移相器、分束器等元件來(lái)實(shí)現受控變化，而且光子接收器也不再只能接受一枚光子，而是能探測多枚光子。"相比第一代光量子計算機，這是一大進(jìn)步。"她認為，"九章二號"的潛在應用場(chǎng)景包括"玻色子采樣"運算，也就是對光子的運動(dòng)進(jìn)行模擬仿真。這種運算可以用于破解加密算法。"不過(guò)我還沒(méi)聽(tīng)說(shuō)有學(xué)者真的這么做。"
除了光量子、超導這兩種量子計算，還有離子阱、半導體量子點(diǎn)、冷原子等技術(shù)路徑。亞琛理工大學(xué)教授米歇爾森指出，目前還沒(méi)有一種量子計算機能夠適用于所有應用場(chǎng)景，"今后的情況很有可能是：某種量子計算機更適合于某一類(lèi)應用場(chǎng)景，另一種量子計算機更適合另一類(lèi)應用。適用于所有應用場(chǎng)景的量子計算機很可能不會(huì )出現。"量子計算機，也無(wú)法完全取代目前的傳統計算機。推特民意調查呼吁埃隆馬斯克出售特斯拉10%的股份
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