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材制視角 | 劃時(shí)代的突破！ ——“九章”量子計(jì)算機(jī)

2021-02-17 08:17 作者:青春材制 0人讀過(guò) | 我要投稿

初轉(zhuǎn)載于?愛(ài)學(xué)習(xí)的?青春材制?2020-12-11

未經(jīng)允許禁止轉(zhuǎn)載

　　2019年九月，谷歌方面宣布：他們已經(jīng)成功利用自主研發(fā)的“懸鈴木”量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了一項(xiàng)超高難度的計(jì)算任務(wù)。在這項(xiàng)目前世界上最牛的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要計(jì)算近萬(wàn)年的實(shí)驗(yàn)中，“懸鈴木”只用了短短幾分鐘。

　　但就在2020年12月4日，“人民日?qǐng)?bào)”微信公眾號(hào)轉(zhuǎn)載“中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)”（ID: ustnews）消息：中國(guó)科學(xué)家潘建偉等人成功構(gòu)建了一臺(tái)76個(gè)光子（傳遞電磁相互作用的基本粒子）的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。根據(jù)現(xiàn)有理論，求解同樣的一個(gè)問(wèn)題，“九章”200秒完成的計(jì)算任務(wù)，目前世上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要花費(fèi)6億年。等效地，“九章”的速度比谷歌發(fā)布的量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。這一成果使得我國(guó)成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的里程碑，使我國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家！

到底是那些零件構(gòu)造出了這個(gè)神奇的

“大玩具”呢？

其實(shí)并不復(fù)雜。

讓我們以先前IBM推出的

50量子位計(jì)算機(jī)為例：

1.?量子位信號(hào)放大器

Qubit signal amplifier

2.輸入微波線路

input microwave lines

　　每個(gè)容器都處于類(lèi)似冰箱的環(huán)境中，從而保護(hù)量子位在發(fā)出信號(hào)的過(guò)程中控制熱噪聲以及讀取信號(hào)。

3.超導(dǎo)同軸設(shè)備

superconducting coaxial lines

　　為了盡量減少能量損失，在第一和第二連接軸之間插入信號(hào)同軸線，放大級(jí)由超導(dǎo)體制成.

4.量子放大器

quantum amplifiers

　　磁屏遮罩內(nèi)的量子放大器，放大處理讀取信號(hào)，并將噪音最小化。

5.混合室

mixing chamber

　　冰箱最底部的混合室提供了必要的冷卻能力，使處理器和相關(guān)部件的溫度降低到15毫開(kāi)爾文，比外層空間更冷。

6.低溫光電隔離器

cryogenic isolators

　　低溫隔離器可以使量子信號(hào)向前發(fā)送同時(shí)防止噪聲影響其質(zhì)量。

7.低溫盾

Cryoperm shield

　　量子處理器位于一個(gè)屏蔽層內(nèi)，保護(hù)其免受電磁輻射的影響，控制信號(hào)質(zhì)量。

? ? ?大同小異地，上圖是“懸鈴木”的組裝過(guò)程，其中最顯眼的，是中間拋光的鋼制圓管，那是量子比特的保護(hù)殼。整個(gè)計(jì)算機(jī)一共有若干個(gè)外殼，一層一層地包住量子比特，目的就是用來(lái)保護(hù)它免受外界干擾。

量子計(jì)算機(jī)究竟有多厲害？

讓我們舉個(gè)例子：

? ? 大家都應(yīng)該聽(tīng)說(shuō)過(guò)比特幣吧（一種稀有的虛擬貨幣），谷歌量子計(jì)算機(jī)的消息一發(fā)布，比特幣價(jià)格突然閃崩，一小時(shí)內(nèi)從8000美元下降至7500美元附近，跌幅高達(dá)500美元，創(chuàng)下五個(gè)月內(nèi)最低價(jià)格。

WHY?!

　　因?yàn)?，量子?jì)算機(jī)可怕的計(jì)算能力，恰恰是比特幣最大的克星：比特幣擁有高強(qiáng)度的算法，需要依靠繁雜的計(jì)算完成解密，此過(guò)程被網(wǎng)民稱為“挖礦”，一旦量子計(jì)算機(jī)投入到“挖礦”行業(yè)中，原計(jì)劃在2140年才能挖完的2100萬(wàn)枚比特幣將很快被挖完，乃至被破解！

　　這么說(shuō)可能不夠接地氣，那我們換個(gè)例子。設(shè)想某家銀行采用了世界上最安全、加密最復(fù)雜的安保系統(tǒng)，要破解這套安保系統(tǒng)，需要多少時(shí)間呢？用當(dāng)前最好超級(jí)計(jì)算機(jī)需要花約60萬(wàn)年，但用一個(gè)有相當(dāng)儲(chǔ)存功能的量子計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算，則只需花上不到3個(gè)小時(shí)！

　這兩個(gè)例子已經(jīng)足以證明量子計(jì)算機(jī)的威力：我們?cè)?jīng)引以為傲的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，在量子計(jì)算機(jī)面前顯得既笨重又古老，甚至瞬間被碾壓！

有人或許會(huì)追問(wèn)：量子計(jì)算機(jī)為什么那么牛？

　　中國(guó)有一個(gè)寓言，叫“楊子見(jiàn)歧路而哭之”。楊朱聽(tīng)說(shuō)自己的羊在道路分叉的地方走失了，不知道走哪條路去尋找，難過(guò)的哭了。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)解答問(wèn)題也是這種套路：只能是先走一條路，然后再走另外一條路，做不到兩條路同時(shí)走。

　　而量子計(jì)算機(jī)可以像孫悟空變出很多個(gè)小猴子走不同的路一樣，搞平行計(jì)算。這就相當(dāng)于，一臺(tái)計(jì)算機(jī)，一下子化身成千萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)，同時(shí)開(kāi)工來(lái)完成一項(xiàng)超復(fù)雜的運(yùn)算

“九章”量子計(jì)算原型機(jī)的光路系統(tǒng)原理示意簡(jiǎn)圖

“九章”對(duì)陣“懸鈴木”

　　我國(guó)科學(xué)家們之所以將這臺(tái)新量子計(jì)算機(jī)命名為“九章”，是為了紀(jì)念中國(guó)古代最早的數(shù)學(xué)專(zhuān)著《九章算術(shù)》，它的出現(xiàn)標(biāo)志中國(guó)古代數(shù)學(xué)形成了完整的體系，是一部具有里程碑意義的歷史著作。而這臺(tái)叫做“九章”的計(jì)算機(jī)，也同樣是我們中國(guó)歷史的豐碑。?

　　根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”花 200 秒采集到的 5000 個(gè)樣本，如果用我國(guó)的“太湖之光”，需要運(yùn)行 25 億年，如果用目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”，也需要?6 億年。這樣的優(yōu)勢(shì)十分明顯。而對(duì)于“懸鈴木”來(lái)說(shuō)，200 秒完成的任務(wù)，超算 Summit 需要?2 天，考慮 Summit 和富岳的算力差距，“九章”等效地比“懸鈴木”快 100 億倍！

　　我們?cè)賮?lái)回顧一下“懸鈴木”在其他實(shí)驗(yàn)的情況。谷歌 53 比特隨機(jī)線路取樣實(shí)驗(yàn)中，量子優(yōu)越性是依賴于樣本數(shù)量的。雖然采集100萬(wàn)個(gè)樣本時(shí)，“懸鈴木”需要 200 秒，超算需要 2 天，量子計(jì)算相比于超級(jí)計(jì)算機(jī)有優(yōu)越性；但如果采集?100 億個(gè)樣本的話，超算仍然只需要?2 天，但“懸鈴木”卻需要 20 天才能完成這么大的樣本采樣，量子計(jì)算反而喪失了其引以為傲優(yōu)越性。

　　此外，在態(tài)空間方面，“九章”也以輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)到 1030?的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于“懸鈴木”，“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)模是 1016，而目前全世界的存儲(chǔ)容量是 1022。而且，“九章”運(yùn)行的溫度也遠(yuǎn)沒(méi)有“懸鈴木”那樣苛刻，除探測(cè)部分需要 4開(kāi)爾文的低溫以外，其他部分都是在常溫下運(yùn)行的。

　　“九章”的出色表現(xiàn)，牢固確立了我國(guó)在國(guó)際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)可解決具有重大實(shí)用價(jià)值問(wèn)題的規(guī)?；孔幽M機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

未來(lái)展望

　　“九章”的問(wèn)世，為多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展錦上添花。

　　首先在計(jì)算機(jī)、IT和數(shù)學(xué)領(lǐng)域，在某個(gè)特定問(wèn)題上的計(jì)算能力遠(yuǎn)超現(xiàn)有最強(qiáng)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。此外，它還可以通過(guò)量子計(jì)算機(jī)建立量子通信網(wǎng)絡(luò)和量子互聯(lián)網(wǎng)等。

　　其次，如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計(jì)、藥物研發(fā)等領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)都有用武之地，從而幫助解決重大的國(guó)計(jì)民生問(wèn)題，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。有科學(xué)家預(yù)言，量子計(jì)算機(jī)會(huì)被廣泛使用，甚至在未來(lái)的某一天會(huì)人手一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)（夢(mèng)想還是要有的，萬(wàn)一實(shí)現(xiàn)了呢）。

　　值得一提的是，它還與藥物研發(fā)息息相關(guān)。

　　眼下，新冠肺炎肆虐全球，目前雖然已經(jīng)有一些疫苗問(wèn)世，但是真正能做到徹底消滅病毒的藥物研發(fā)卻遙遙無(wú)期，原因之一就在于篩選藥物分子這一環(huán)節(jié)遭遇瓶頸。

　　以傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)篩選前期藥物分子的方法，成功的希望十分渺茫。若使用量子計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行新藥研發(fā)，其快速算法可以加快藥物的研究，從而將大大提高成功率并能很大程度上降低成本。

　　此外，量子計(jì)算機(jī)的超快運(yùn)算能力還有平常卻極其實(shí)用的運(yùn)用。例如，物流行業(yè)如何選擇最有效率的路線送貨，可以借助量子計(jì)算機(jī)的幫助。這也絕非“大材小用”。

　　當(dāng)然，也要看到，與通用計(jì)算機(jī)相比，“九章”從實(shí)驗(yàn)室走向廣闊的生活生產(chǎn)場(chǎng)景，還需要漫長(zhǎng)的時(shí)間。更嚴(yán)謹(jǐn)如研究人員所評(píng)估的那樣，“九章”是否完全實(shí)用和通用，可以解決所有計(jì)算問(wèn)題，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。但不可否認(rèn)，“九章”的問(wèn)世是一個(gè)巨大的鼓舞，科學(xué)界對(duì)量子計(jì)算的探索是永無(wú)止境的，數(shù)十年后的今天，美好的前景值得我們?nèi)テ诖?/span>