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根據中國科學技術大學10月26日訊息,中科院量子資訊與量子科技創新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等人與中科院上海微系統所、國家平行計算機工程技術研究中心合作,發展了量子光源受激放大的理論和實驗方法,構建了113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”,並實現了相位可程式設計功能,完成了對用於演示“量子計算優越性”的高斯玻色取樣任務的快速求解。

根據現已正式發表的最優經典演算法理論,“九章二號”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快10^24倍,或者說快“億億億”倍。這一成果再次重新整理了國際上光量子操縱的技術水平,進一步提供了量子計算加速的實驗證據。

相關論文以“編輯推薦”的形式發表在國際知名學術期刊《物理評論快報》上,論文標題為“Phase-Programmable Gaussian Boson Sampling Using Stimulated Squeezed Light”。

“在實踐中證明量子優越性的方法是基於‘取樣問題’——其解決方案是給定概率分佈的隨機例項或樣本的計算問題。如果生成這些例項對於經典計算機不可行,但對於量子計算機可行,就表示實現了量子優越性。”著名量子物理學家、加拿大Calgary大學教授Barry Sanders在Physics網站發表的評述文章表示,“九章二號”與“祖沖之二號”的實驗結果是相對於最先進技術的令人印象深刻的進步。


九章二號整體裝置圖 圖源:中國科學技術大學官網

量子計算機利用量子力學現象(如疊加和糾纏),在原理上可通過特定演算法在一些具有重大社會和經濟價值的問題上,比經典計算機更強。

1981年,費曼就提出量子計算的初步想法。大規模量子計算機的物理實現是世界科技前沿的重大挑戰之一。對於研製容錯的通用量子計算,因其苛刻的容錯閾值和大規模的量子位元數目,離目前人類的科技發展水平尚有不小的差距。

因此,實現對於量子計算的物理實現,國際學術界採取三步走的路線圖。

第一個里程碑叫做“量子計算優越性”,其含義是利用量子處理器高效地解決超級計算機都無法在合理時間內解決的特定的高複雜度數學問題,從實驗上確鑿地證明四十年前費曼所提出來地量子計算加速設想。一般認為,實現量子計算優越性需要操控50以上的物理位元。

第二步是製成實用量子模擬機,需要相干操縱數百到數千量子位元;第三步,製成通用量子計算機,需要相干操縱數百萬至數千萬個量子位元。

基於光子的玻色取樣和基於超導位元的隨機線路取樣是實驗展示量子計算優越性的兩個重要方案。潘建偉團隊一直在光量子資訊處理方面處於國際領先水平。

2017年,該團隊構建了世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算原型機。2019年,團隊進一步研製了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高效能單光子源,實現了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣,輸出希爾伯特態空間維度達到1014,逼近了“量子計算優越性”。

2020年,潘建偉團隊成功構建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”,輸出量子態空間規模達到了1030,處理高斯玻色取樣的速度比超級計算機快一百萬億倍,同時克服了谷歌基於“懸鈴木”超導處理器的隨機線路取樣實驗中量子優越性依賴於樣本數量的漏洞。“九章”實驗完成後,在理論提出玻色取樣演算法和證明計算複雜度的Scott Aaronson教授隨後獲得了由國際計算機協會頒發的ACM Prize in Computing。


a表示輸出態空間的維度。b表示光量子計算原型機相比超算的優勢倍數。 圖源:中國科學技術大學官網

2021年,團隊在“九章”的基礎上,進行了一系列概念和技術創新。受到鐳射——“受激輻射光放大”概念的啟發,研究人員設計並實現了受激雙模量子壓縮光源,顯著提高了量子光源的產率、品質和收集效率。其次,通過三維整合和收集光路的緊湊設計,多光子量子干涉線路增加到了144維度。由此,“九章二號”探測到的光子數增加到了113個,輸出態空間維度達到了1043。進一步,通過動態調節壓縮光的相位,研究人員實現了對高斯玻色取樣矩陣的重新配置,演示了“九章二號”可用於求解不同引數數學問題的程式設計能力。

根據目前已正式發表的最優化經典演算法,“九章二號”在高斯玻色取樣這個問題上的處理速度比最快的超級計算機快10^24倍。



原文連結:https://inewsdb.com/數碼/處理特定問題比超算快億億億倍:潘建偉團隊九章

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