九章二號和祖沖之二號是什么意思九章二號與祖沖之二號 _九章

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導(dǎo)讀：中國是世界上唯一一個(gè)在兩條技術(shù)路線上實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的國家，美國只有超導(dǎo)這一個(gè)，而其他國家一個(gè)都沒有。在這個(gè)意義上，中國的量子計(jì)算研究世界領(lǐng)先。

2021年10月26日，全國的媒體都在傳一個(gè)重大新聞：中國的量子計(jì)算機(jī)研究再次取得突破，比超級計(jì)算機(jī)快了億億億倍（https://mp.weixin.qq.com/s/_HvxJ3D69tPUUza1AuAqew）！具體而言，是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)的兩臺量子計(jì)算機(jī)升級了，“九章”和“祖沖之號”都變成了二號。結(jié)論是，我國成了目前世界上唯一在兩種物理體系達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑的國家。
九章二號1
九章二號2
祖沖之二號
咦，這些話是什么意思？什么叫量子計(jì)算？什么叫量子計(jì)算優(yōu)越性？什么叫在兩種物理體系實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性？實(shí)現(xiàn)了這個(gè)有什么好處？這話是說中國超越了美國嗎？……
對于最后一個(gè)問題，可以簡短地回答：是的，中國超越了美國。但對其他的技術(shù)性問題，就很難三言兩語說清楚了。實(shí)際上，我最近剛剛出版了一本科普書《量子信息簡話》，里面對所有這些問題都有清楚的解釋。歡迎大家去訂購這本書，看完你就成為量子信息專家了。
《量子信息簡話》
我最近特別忙，沒來得及第一時(shí)間解讀這個(gè)新聞。然而我知道，每當(dāng)有量子信息的新聞出來，就會有媒體來采訪。果不其然，過了一會環(huán)球時(shí)報(bào)英文版《Global Times》的采訪人員就打過電話來了，我要為他們的專業(yè)精神點(diǎn)贊（https://mp.weixin.qq.com/s/lkPGtEtryrmy8UdA4sW32w）。
今天，我就來抽出時(shí)間，稍微解釋一下基本圖景。
首先，什么叫量子計(jì)算？回答是一種新的計(jì)算原理，它對某些問題得到結(jié)果比傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)快得多。一個(gè)典型例子是因數(shù)分解，即
21 = 3 × 7，
15 = 3 × 5
這種分解，把一個(gè)自然數(shù)分解成質(zhì)因數(shù)的乘積。
因數(shù)分解是一個(gè)傳統(tǒng)難題。這話是什么意思呢？當(dāng)一個(gè)數(shù)很小的時(shí)候，你分解它當(dāng)然很容易，你不管三七二十一就能分解21 。但當(dāng)一個(gè)數(shù)很大的時(shí)候，比如有幾百上千位，分解它就變得很困難。因?yàn)槲覀儾]有特別巧妙的算法，用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)分解它需要的時(shí)間是隨著位數(shù)指數(shù)上升的。比如說，分解一個(gè)300位的數(shù)字需要15萬年，而分解一個(gè)5000位的數(shù)字需要50億年！
然而對于量子計(jì)算機(jī)來說，因數(shù)分解就是個(gè)可以快速解決的問題。1994年，有人提出了量子的因數(shù)分解算法，它的計(jì)算量隨著位數(shù)的增長要慢得多。同樣是分解300位的數(shù)字，量子算法會把時(shí)間從15萬年減到不足一秒鐘。分解5000位的數(shù)字，量子算法會把時(shí)間從50億年減到2分鐘！
現(xiàn)在，大家明白量子計(jì)算的威力了吧？
然而，有兩點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào) 。
一是量子計(jì)算機(jī)只是對某些問題超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)，而不是對所有問題。有些問題經(jīng)典計(jì)算機(jī)已經(jīng)算得很快了，如加減乘除，量子計(jì)算機(jī)對它們就沒有任何優(yōu)勢。所以量子計(jì)算機(jī)的前景是和經(jīng)典計(jì)算機(jī)聯(lián)用，而不是取代經(jīng)典計(jì)算機(jī) 。它永遠(yuǎn)都不會完全取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，兩者會各自在自己適合的場景使用。
一般人以為的量子計(jì)算機(jī)
實(shí)際的量子計(jì)算機(jī)
【九章二號和祖沖之二號是什么意思九章二號與祖沖之二號】量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)聯(lián)用
二是能夠分解大數(shù)的量子計(jì)算機(jī)硬件還沒有造出來。我們目前能夠用量子算法分解的最大的數(shù)是
291311 = 523 × 557，
這是科大的杜江峰院士和彭新華教授等人在2017年實(shí)現(xiàn)的。291311只是個(gè)六位數(shù)，離幾百上千位還遠(yuǎn) 。
杜江峰和彭新華等人2017年用量子算法分解291311的論文
實(shí)際上，我們目前還沒有造出任何一臺有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī) 。所以量子計(jì)算機(jī)的研究狀況是，軟件先行，硬件是瓶頸。現(xiàn)在各國競爭的主要是硬件。
下一個(gè)問題，量子計(jì)算優(yōu)越性是什么意思？它指的是對某個(gè)問題，量子計(jì)算機(jī)超過了最強(qiáng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī) 。
當(dāng)前最強(qiáng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)是什么？是日本的超級計(jì)算機(jī)“富岳”（Fugaku），它每秒能運(yùn)行44.2億億次浮點(diǎn)運(yùn)算（https://mp.weixin.qq.com/s/ANC3_b-lm_6UQ9yb9telhA）。打個(gè)比方，富岳一秒鐘的計(jì)算量，頂?shù)蒙先澜缢腥瞬幻卟恍菀悦棵胍淮蔚乃俣人闵蟽赡?。由此可見，現(xiàn)在的經(jīng)典計(jì)算機(jī)是很強(qiáng)大的，量子計(jì)算機(jī)要超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)是很不容易的。
2021年6月的超級計(jì)算機(jī)TOP500榜單
因此量子計(jì)算機(jī)一定要挑選一些自己有快速算法而經(jīng)典計(jì)算機(jī)只有慢速算法的問題，才能超越經(jīng)典計(jì)算機(jī) 。這就是為什么量子計(jì)算優(yōu)越性的定義里，要強(qiáng)調(diào)是“對某個(gè)問題” 。
具體而言，此前實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性的實(shí)驗(yàn)只有兩個(gè) 。
2019年，谷歌用超導(dǎo)體系實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性，他們的實(shí)驗(yàn)裝置叫做“懸鈴木”（Sycamore），處理的問題叫做“隨機(jī)線路取樣”（random circuit sampling）。
谷歌論文圖1對量子計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的演示
2020年，科大的潘建偉和陸朝陽等人用光學(xué)體系實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性，他們的實(shí)驗(yàn)裝置叫做“九章”，處理的問題叫做“高斯玻色子線路取樣”（Gaussian boson sampling）。
九章光量子干涉實(shí)物圖
2020年12月5日，作者和苑震生教授在九章中介紹九章
這兩個(gè)問題是什么意思，大家可以去看我的書《量子信息簡話》。在這里我們要提醒大家注意的是：每一個(gè)量子計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)都需要某種物理體系，超導(dǎo)、光學(xué)、離子阱、核磁共振等等。就像經(jīng)典計(jì)算機(jī)能用很多種物理體系實(shí)現(xiàn)，最初是算盤，后來有機(jī)械式計(jì)算機(jī)，后來有電子管，后來有晶體管，現(xiàn)在是集成電路，量子計(jì)算機(jī)也能用很多種物理體系實(shí)現(xiàn) 。現(xiàn)在超導(dǎo)和光學(xué)是研究得比較熱門的兩條技術(shù)路線，其他的也都有人在研究。
所以大家見到一個(gè)量子計(jì)算機(jī)的新聞，就可以問兩個(gè)專業(yè)問題：第一，它處理的是什么數(shù)學(xué)問題？第二，它用的是什么物理體系？專家一聽你問這兩個(gè)問題，就知道你很內(nèi)行。而如果你問一些不著調(diào)的問題，如“量子計(jì)算機(jī)打游戲會不會卡”，專家一聽就知道你完全不懂了！
2020年5月，科大的潘建偉和朱曉波等人發(fā)表了一個(gè)重要的成果，叫做“祖沖之號” 。它跟谷歌的“懸鈴木”一樣，都屬于超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī) 。當(dāng)時(shí)CCTV的《共同關(guān)注》節(jié)目（https://mp.weixin.qq.com/s/GaAy15LBfSe-4G9PhAQKuQ）和環(huán)球時(shí)報(bào)英文版（https://mp.weixin.qq.com/s/-rFRZ1TvPJUCGILgODNRkw）采訪了我，我告訴了他們這事的意義。祖沖之號在一些指標(biāo)上超過了懸鈴木，例如它的量子比特?cái)?shù)是62，多于懸鈴木的53 。但祖沖之號并沒有實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，因?yàn)樗牟倏匦赃€不夠好。它實(shí)際做的，只是展示了量子的二維行走，原理上用這種方法可以實(shí)現(xiàn)任何的計(jì)算任務(wù) 。
中國科大成功研制62比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算處理器祖沖之號
祖沖之號的二維超導(dǎo)量子比特芯片示意圖，每個(gè)橘色十字代表一個(gè)量子比特
有了這些背景，就可以理解最近的突破了：潘建偉、陸朝陽、朱曉波等人把九章和祖沖之號都升級成了二號。九章二號進(jìn)一步擴(kuò)大了對經(jīng)典計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢，而祖沖之二號實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性。因此，我們可以宣稱中國是世界上唯一一個(gè)在兩條技術(shù)路線上實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的國家，美國只有超導(dǎo)這一個(gè)，而其他國家一個(gè)都沒有。在這個(gè)意義上，中國的量子計(jì)算研究世界領(lǐng)先。
具體而言，九章二號把光子數(shù)從原來的最多76升級到了最多113，由此導(dǎo)致對經(jīng)典計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢從一百萬億倍增加到了一億億億倍。有人問我，為什么不是升級到152，即76翻一番？回答是量子計(jì)算機(jī)的能力隨著光子數(shù)的增長不是線性增長，而是指數(shù)增長甚至超指數(shù)增長，所以每增加一個(gè)光子都是很不容易的。
論文數(shù)據(jù)圖 a圖表示輸出態(tài)空間的維度 b圖表示光量子計(jì)算原型機(jī)相比超算的優(yōu)勢倍數(shù)
有一個(gè)有趣的故事，來自一位量子計(jì)算的鐵桿反對者，叫做吉爾·凱萊（Gil Kalai），是一位以色列數(shù)學(xué)家。他曾經(jīng)認(rèn)為玻色子取樣，即九章做的這個(gè)問題，永遠(yuǎn)不可能實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性。他的表述是：
“設(shè)想有一支外星人的軍隊(duì)，比我們強(qiáng)大得多，降落到地球上，要求我們展示5個(gè)光子的玻色子取樣，否則就摧毀地球。在這種情況下，我們應(yīng)該調(diào)集我們所有的量子工程力量，嘗試實(shí)現(xiàn)它。但假如外星人要求的是比如說10個(gè)光子的玻色子取樣，那么我們最好的選擇就是嘗試攻擊外星人。”
你看，他認(rèn)為10個(gè)光子的玻色子取樣都是不可能的！而我們實(shí)際做到的是76，現(xiàn)在又成了113！有了這位老兄的flag，你就明白這是多么重大的成就了吧？
吉爾·凱萊
祖沖之二號的進(jìn)步，是采用全新的倒裝焊3D封裝工藝，解決了大規(guī)模比特集成的問題，實(shí)現(xiàn)了66個(gè)數(shù)據(jù)比特、110個(gè)耦合比特、11路讀取的高密度集成，最大態(tài)空間維度達(dá)到了10的19次方。所謂態(tài)空間維度，就是這個(gè)體系里可以允許的基本狀態(tài)的數(shù)目。懸鈴木的態(tài)空間維度只達(dá)到10的13次方，而祖沖之二號達(dá)到10的19次方，比它高6個(gè)數(shù)量級。所以同樣是執(zhí)行隨機(jī)線路取樣這個(gè)問題，祖沖之二號的難度比懸鈴木要高得多。
在這個(gè)前提下，祖沖之二號相對于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢是一千萬倍，而懸鈴木只有一百萬倍。也就是說，祖沖之二號對一個(gè)更難的問題實(shí)現(xiàn)了更高倍數(shù)的優(yōu)勢，所以比懸鈴木強(qiáng)得多。
量子隨機(jī)線路取樣保真度隨線路深度的變化及目前最快的超級計(jì)算機(jī)“富岳”完成相同任務(wù)需要的時(shí)間
最后展望一下未來，這些成果有什么用？回答是現(xiàn)在還沒有用，但是以它們?yōu)榛A(chǔ)，下一階段就會有用。我們希望在比如說五年之內(nèi)，在特定領(lǐng)域找到有實(shí)用價(jià)值的應(yīng)用，例如量子機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)、量子近似優(yōu)化等。
量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)個(gè)目標(biāo)
中國在光學(xué)和超導(dǎo)兩條技術(shù)路線都實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性，超越了美國，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是結(jié)束，而是開始。量子信息的奇妙世界，等著大家去探索。最后再次向大家推薦我的科普書《量子信息簡話》，大家在科大出版社官方微店或者京東、天貓就可以訂購，謝謝支持。
《量子信息簡話》

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