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九章
(量子計算原型機)
鎖定
2020年,“九章”求解了最高達76光子的高斯玻色採樣問題,求解速度超越經典超級計算機,在國際上首次實現基於光學體系的量子計算優越性,使得中國成為全球第二個(第一個為2019年美國谷歌公司研發的“懸鈴木”超導量子計算處理器)實現“量子優越性”(國外稱“量子霸權”)的國家
[1-3]
。2020年的“九章”實現了76個光子的操縱,是在2015年國家自然科學一等獎(8光子)之後的一個實質性飛躍。
- 中文名
- 九章
- 研發團隊
- 潘建偉團隊、中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心
- 所屬類別
- 信息科技
- 宣佈時間
- 2020年12月4日
九章發展歷程
2020年12月4日,國際學術期刊《科學》發表了中國科學技術大學潘建偉院士領銜的陸朝陽教授課題組通過量子計算原型機“九章” 實現量子計算優越性的工作
[6]
,其輸出量子態空間規模達到了10^30。同天,審稿人評價這是“這是一個最先進的實驗和重大成就”。在這一研究中,該團隊自主研製了同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規模擴展能力的量子光源,同時滿足相位穩定、全連通隨機矩陣、波包重合度優於99.5%、通過率優於98%的100模式干涉線路,相對光程差小於10^-9以內的主動光學相位鎖定技術,以及高效率100通道超導納米線單光子探測器[15]。
2021年10月,該團隊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”,並實現了相位可編程功能,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。這一成果再次刷新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
[7]
。相關論文於2021年10月26日以“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
[8]
。
2023年10月,該團隊成功構建了255個光子的量子計算原型機“九章三號”,再度刷新了光量子信息的技術水平和量子計算優越性的世界紀錄。科研人員設計了時空解複用的光子探測新方法,構建了高保真度的準光子數可分辨探測器,提升了光子操縱水平和量子計算複雜度。根據公開正式發表的最優經典精確採樣算法,“九章三號”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號”提升一百萬倍。“九章三號”在百萬分之一秒時間內所處理的最高複雜度的樣本,需要當前最強的超級計算機“前沿”(Frontier)花費超過二百億年的時間。這一成果進一步鞏固了我國在光量子計算領域的國際領先地位
[11-12]
。
九章運算性能
據《科學》期刊發表的學術論文,當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣時,“九章”需200秒,而根據截至2020年時的最優經典模擬算法,世界最快的超級計算機“富嶽”需6億年;當求解100億個樣本時,“九章”需10小時,而“富嶽”需1200億年。等效來看,“九章”的計算速度比“懸鈴木”快100億倍,並彌補了“懸鈴木”依賴樣本數量的技術漏洞
[13]
。其算力在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用價值
[14]
。
九章系統原理
左上方激光系統產生高峯值功率的飛秒脈衝,左方25個量子光源通過參量下轉換過程產生50路單模壓縮態,輸入到右方100模式光量子干涉網絡,最後利用100個高效率超導納米線單光子探測器對干涉儀輸出的光量子態進行探測
[15]
。
九章研發單位
“九章”由中國科學技術大學潘建偉院士領銜的陸朝陽教授課題組與中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心合作研發
[1]
。九章的四個並列第一作者是陸朝陽的博士學生鍾翰森、王輝、鄧宇皓和陳明城
[16]
,都是“90後”
[17]
。研發人員規模只有谷歌團隊的5%
[18]
。
九章研發經費
九章名稱來源
量子計算原型機“九章”命名為“九章”是為了紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》
[15]
。
九章重要意義
九章學術影響力
九章所獲榮譽
2021年4月,入選聯合國教科文組織Netexplo論壇在全球範圍內遴選出的10項極具突破性的數字創新技術
[21]
。入選兩院院士評選的“2020中國十大科技進展”
[22]
。共青團中央、全國青聯授予九章光量子計算原型機研製團隊“中國青年五四獎章集體”表彰
[23]
。
2020年,“光學量子計算”入選中科院“率先行動”計劃第一階段重大科技成果
2020年,“九章”入選《科技日報》中國年度十大科技新聞
2020年,“九章”入選新華社評選的中國年度十大國內新聞
2020年,“九章”入選兩院院士評選的中國科技十大進展新聞
2020年,陸朝陽教授獲得美國光學學會Adolph Lomb獎章(每年世界範圍一人,中國科學家在該獎項設立80後首次入選)
2021年,“九章”入選聯合國教科文組織Netexplo全球十大數字創新
2021年,“九章”獲騰訊青少年科學小會和Science評選的年度科學突破榜首
2021年,陸朝陽教授關於九章的大會報告入選CLEO會議高登講席James P. Gordon Memorial Speakership(每年世界範圍一人,中國科學家首次入選)
2021年,“九章”入選美國光學學會“Optics in 2021”
2021年,“九章”獲德國Falling Wall Top Ten Breakthroughs of the Year
2021年,陸朝陽教授獲得美國物理學會Rolf Landauer and Charles Bennett量子計算獎(每年世界範圍一人,中國科學家首次入選)
2021年,“九章”光量子計算原型機研製團隊獲得“中國青年五四獎章集體”
2022年,陸朝陽教授獲得全球華人物理與天文學會亞洲成就獎
2023年,陸朝陽教授入選首屆新基石研究員、何梁何利基金會科學與技術創新獎
九章專家評價
奧地利科學院院長、諾貝爾獎得主Anton Zeilinger
[24]
:“這項工作確實非常重要。全世界正在研發量子計算,致力於展示超越常規計算機的能力。這稱為‘量子計算優越性’。這項工作成果很重要,因為中國科學家證明,基於光子(光的粒子)的量子計算機也可能實現‘量子計算優越性’。實際上,這種高斯玻色子採樣已經有一些用處。我預測很有可能有朝一日量子計算機會被廣泛使用。甚至每個人都可以使用。我對這個估計非常樂觀,有很多聰明人在做這些事情,包括我的中國的同事。因此,我確定我們會看到相當快的發展。”
麻省理工學院教授、美國青年科學家總統獎得主、斯隆獎得主Dirk Englund
[24]
:“這是一個劃時代的成果。我認為這是一個了不起的成就。 這是開發這些中型量子計算機的里程碑。 它表明,在複雜系統的前沿領域中,我們正處於非常特殊的時刻,複雜系統具有我們今天無法在計算機上預測的複雜性。 因此,這是一項了不起的成就,我認為這是該領域的一個里程碑。”
美國科學院院士、沃爾夫獎得主Peter Zoller
[24]
:“利用量子器件來解決日益複雜的問題並體現量子優勢是量子科學前沿中的最重要問題之一。陸朝陽、潘建偉和同事們基於光子進行的高斯玻色子採樣實驗,無論是在量子系統的大小和擴展性方面,還是在實際應用的前景方面,都把研究水平提升到了一個新的高度。”
美國耶魯大學教授、美國藝術和科學院院士、巴克萊獎得主Steven Girvin
[24]
:“這是一個極其困難的,需要付出很大的努力來完善的工作。對此我印象非常深刻,我認為這是我們控制量子系統能力的重要技術進步。”
美國智庫蘭德公司發佈《中美量子技術產業評估》,指出“九章”使得“中國在光子玻色取樣領域是明顯的世界領導者”。次年,所在單位被美國商務部列入實體清單。
- 參考資料
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- 1. 最快!我國量子計算機實現算力全球領先 .新華網[引用日期2023-11-10]
- 2. 中國量子計算原型機“九章”算力有多強?一文解讀 .人民日報[引用日期2023-11-10]
- 3. 量子計算原型機“九章”研製成功 我國實現了量子計算研究的第一個里程碑 .央視網(cctv.com)[引用日期2023-11-10]
- 4. 我科學家構建76個光子量子計算原型機“九章” .央廣網[引用日期2023-11-10]
- 5. 【科技日報】光量子計算:態空間維數提高百億倍 .中國科大新聞網[引用日期2023-11-10]
- 6. Quantum computational advantage using photons .science[引用日期2023-11-10]
- 7. 我國在兩種物理體系實現量子計算優越性我國在兩種物理體系實現量子計算優越性 .光明日報[引用日期2023-11-10]
- 8. Phys. Rev. Lett. 127, 180502 (2021) .PHYSICAL REVIEW LETTERS[引用日期2023-11-10]
- 9. 我國科學家利用“九章”光量子計算原型機求解圖論問題 .新華網[引用日期2023-11-10]
- 10. “九章”量子計算原型機科研實物入藏國家博物館 .新華網[引用日期2023-11-10]
- 11. “九章三號”量子計算原型機問世 中國確立算力新里程碑 .新華網[引用日期2023-11-10]
- 12. Phys. Rev. Lett. 131, 150601 (2023) .Resolving Detectors and Quantum Computational Advantage[引用日期2023-11-10]
- 13. 里程碑式突破!——潘建偉團隊解説“九章”量子計算機 .新華網[引用日期2023-11-10]
- 14. 中國科學家實現“量子計算優越性”里程碑 .中國科大新聞網[引用日期2023-11-10]
- 15. 中國科學家實現“量子計算優越性”里程碑 .中國科學院量子信息與量子科技創新研究院[引用日期2023-11-10]
- 16. “九章”問世,團隊論文第一作者都是90後 .中青在線[引用日期2023-11-10]
- 17. 在這裏,是千里馬就有舞台(加快建設世界重要人才中心和創新高地③) .人民網[引用日期2023-11-10]
- 18. 九章三號如何遙遙領先?袁嵐峯老師的解讀來啦! .袁嵐峯[引用日期2023-11-10]
- 19. 觀察 | "九章"問鼎 確立我國在國際量子計算研究第一方陣地位 .新華網[引用日期2023-11-10]
- 20. 在這裏,是千里馬就有舞台 .“中科院之聲”電子雜誌[引用日期2023-11-10]
- 21. 十大數字創新技術出爐 中國“九章”榜上有名 .人民網[引用日期2023-11-10]
- 22. 【中國青年報】2020中國/世界十大科技進展新聞揭曉! .中國科學院[引用日期2023-11-10]
- 23. 第25屆“中國青年五四獎章”評選揭曉 .新華網[引用日期2023-11-10]
- 24. 經典和量子的算力之爭: 中國科學家實現“量子計算優越性”里程碑 .墨子沙龍[引用日期2023-11-10]
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