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中国 里程碑式突破！中国量子计算原型机“九章”问世，实现“量子霸权”( 二 )


中国 里程碑式突破！中国量子计算原型机“九章”问世，实现“量子霸权”
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光量子干涉实物图
“我们实验中要用到的一些关键器件，国外一直对我们进行禁运，但是我们靠自己、靠国内协作单位，做出了世界上最好的量子光源。毕竟，科学是为服务全人类的。”潘建伟告诉采访人员，完成这一实验，需要更多更好的光量子，正是拥有了世界最好的量子光源，这次实验输出量子态空间规模达到了10的30次方。
根据目前最优的经典算法，“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，等效地比谷歌去年发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。同时，通过高斯玻色取样证明的量子计算优越性不依赖于样本数量，克服了谷歌53比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。
中国 里程碑式突破！中国量子计算原型机“九章”问世，实现“量子霸权”
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100模式相位稳定干涉仪
这个成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。此外，基于“九章”量子计算原型机的高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。
量子计算需经历“三步走”
正是由于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一些具有重大社会和经济价值的问题方面，如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等，相比经典计算机实现指数级别的加速。
事实上，量子计算机的研制是一个极具挑战并且周期可能较长的工作。为了推动量子计算机的研制，我们必须把其分成一个个的小目标，不断逐次突破。其中的第一个小目标就是“量子优越性”(Quantum Supremacy)，指的是量子计算机在某个特定问题上的计算能力远超过性能最好的超算，证明量子计算机的优越性。因此，“量子优越性”被认为是量子计算发展道路上的一个重要里程碑。
对于量子计算机的研究，国际同行公认有三个指标性的发展阶段：
第一阶段发展具备50-100个童子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。
第二阶段通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题，如量子化学、新材料设计、优化算法等。
第三阶段则是通过积累在专用量子计算与模拟机的研制过程中发展起来的各种技术，提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值（大于99.9%) ,大幅度提高可集成的量子比特数目至百万量级，实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。
让梦想量子计算走进现实
2019年10月23日，权威杂志《自然》刊出了谷歌量子AI团队的最新科研工作，在持续重金投入量子计算13年后，成功地用实验证明“量子优越性”。即在特定任务上，量子计算机可以大大超越经典计算机的计算能力了。
论文报道了谷歌团队基于一个包含53个可用量子比特的可编程超导量子处理器，运行随机量子线路进行采样，耗时约200秒可进行100万次采样，并且估计如果使用当时最强超算Summit来计算得到同样的结果，需耗费约1万年。据此，谷歌宣称实现了“量子霸权”。
实际上，“量子优越性”代表了两个方面的竞争，一方面量子芯片的比特数和性能不断扩张，在某些问题上展现出极强的计算能力；另一方面，经典算法和模拟的工程化实现也可以不断优化，提升经典算法的效率和计算能力。所以，如果能够提升经典模拟的能力，那么谷歌的量子设备有可能就无法打败最强超算，从而“称霸”失败。
对于谷歌的“称霸”，IBM是第一个跳出来表示“不服”的。IBM指出谷歌对随机量子线路的经典模拟优化得并不好，如果采用内存和硬盘混合存储方案，模拟53比特、20深度的量子随机线路采样，仅需2.5天。IBM还宣称这只是他们保守的估计。
对此，加拿大卡尔加里大学教授、量子科学和技术研究所所长Barry Sanders 认为，去年，谷歌取得了一项巨大的成果，即量子计算优越性，但这是有争议的。谷歌的结果是，他们拥有一台量子计算机，其性能比其他任何经典计算机都要好。然后，IBM对此提出相反的论点：他们并未完全实现。质疑是否真正的达到了量子计算优越性。

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