200秒=6亿年“九章”算力全球领先

2020-12-05 07:10:00 来源:舜网-济南日报
责任编辑:颜甲

200秒=6亿年“九章”算力全球领先

这是光量子干涉实物图。(新华社发)

  在一个特定赛道上,200秒的“量子算力”,相当于目前“最强超算”6亿年的计算能力!12月4日,《科学》杂志公布了中国“九章”的重大突破。

  这台由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等学者研制的76个光子的量子计算原型机,推动全球量子计算的前沿研究达到一个新高度。尽管距离实际应用仍有漫漫长路,但成功实现了“量子计算优越性”的里程碑式突破。

  “九章”优胜在何处?里程碑式跨越如何实现?“算力革命”走向何方?记者就这些问题采访了潘建伟团队。

  量子优越性 算力新高度

  “量子优越性”——横亘在量子计算研究之路上的第一道难关。

  这是一个科学术语:作为新生事物的量子计算机,一旦在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机,就证明了量子计算机的优越性,跨过了未来多方面超越传统计算机的门槛。

  去年9月,美国谷歌公司宣布研制出53个量子比特的计算机“悬铃木”,对一个数学问题的计算只需200秒,而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需要2天,因此他们在全球首次实现了“量子优越性”。

  近期,中科大潘建伟团队与中科院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作,成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。

  “取名‘九章’,是为了纪念中国古代著名数学专著《九章算术》。”潘建伟说。

  实验显示,“九章”对经典数学算法高斯玻色取样的计算速度,比目前世界最快的超算“富岳”快一百万亿倍,从而在全球第二个实现了“量子优越性”。

  高斯玻色取样是一个计算概率分布的算法,可用于编码和求解多种问题。当求解5000万个样本的高斯玻色取样问题时,“九章”需200秒,而目前世界上最快的超级计算机“富岳”需 6亿年;当求解100亿个样本时,“九章”需10小时,“富岳”需1200亿年。

  20年努力攻克三大技术难关

  潘建伟团队这次突破历经了20年努力。“九章”的突破,主要攻克了三大技术难关:高品质量子光源、高精度锁相技术、规模化干涉技术。其中高品质量子光源是目前国际上唯一同时具备高效率、高全同性、高亮度和大规模扩展能力的量子光源。“比如说,我们每次喝下一口水很容易,但要每次喝下一个水分子非常困难。”中科大教授陆朝阳说,高品质光源要保证每次只“放出”1个光子,且每个光子要一模一样,这是巨大挑战。同时,锁相精度要控制在10的负9次方以内,相当于传输一百公里距离,偏差不能超过一根头发丝的直径。

  此外,为了核验“九章”算得“准不准”,要用超算同步验证。“10个、20个光子的时候,结果都能对得上,到40个光子的时候超算就比较吃力了,而‘九章’一直算到了76个光子。”陆朝阳说,另一方面,超算的耗电量太大,计算40个光子时需要电费200万元,41个光子需要400万元,42个光子需要800万元,推算下去将是天文数字。

  “算力革命”跃马人类未来

  “量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力,可望通过特定算法在密码破译、大数据优化、天气预报、材料设计、药物分析等领域,提供比传统计算机更强的算力支持。”潘建伟说。

  国际主流观点认为,量子计算机的发展将有三个阶段:第一阶段,研制50个到100个量子比特的专用量子计算机,实现“量子优越性”里程碑式突破。第二阶段,研制可操纵数百个量子比特的量子模拟机,解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题,比如量子化学、新材料设计、优化算法等。第三阶段,大幅提高量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力,研制可编程的通用量子计算原型机。

  目前,“九章”还处在第一阶段,但在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用价值。 (据新华社电)

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