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我国首个搭载76个光子的量子计算机终于问世!MIT曾担心的事情,发...
本文来自公众号:编程派   2020.12.07 11:40:28

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12月4日,中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机 “九章”

该原型机求解数学算法高斯玻色取样只需200秒,而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。这一突破使我国成为全球第二个实现 “量子优越性” (也称量子霸权)的国家。

什么叫 “量子优越性” 呢?

中科大教授陆朝阳解释说:“量子优越性像个门槛,是指当新生的量子计算原型机,在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机,就证明其未来有多方超越的可能。”

去年9月,美国谷歌公司推出53个量子比特(Qubits)的计算机“ 悬铃木 ”,对一个波色取样的计算只需200秒,而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需2天,实现了“量子优越性”。


光量子干涉实物图:左下方为输入光学部分,右下方为锁相光路


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

具体“九章”的成就和技术细节这在里也不过多解释了,很多文章已经讲的比较全面了。

这里胖哥要给大家介绍另一篇MIT的论文—— 电离辐射对超导量子比特相干性的影响 (Impact of ionizing radiation on superconducting qubit coherence)。这项研究部分由美国能源部核物理办公室、美国陆军研究办公室、美国国防部和美国国家科学基金会资助。

我们都知道,量子比特(Qubits)是量子计算机是量子计算机的基本逻辑单元,正是由于量子神奇的叠加状态,才能实现量子计算机的相对传统计算机更高速的并行计算。

但是这篇论文指出了一个问题,那就是量子比特的完整性,即 量子比特在叠加态和量子信息丢失之前能够运行多长时间 ——这个过程被称为 退相干 (decoherence),量子失效了,量子计算机肯定就不行了,所以退相干的时间最终限制了计算机的运行时间。

这一时间大概多长呢?1999年时还不到 一纳秒 ,到今天性能最好的超导量子设备的 200微秒 左右。

研究小组报告说,混凝土墙壁中的微量元素和入射的宇宙射线所发出的低水平、无害的本底辐射足以引起量子比特的退相干。他们发现,如果不加以缓和,这种效应将把量子比特的性能限制在几毫秒之内。

那么“九章”会有这样的问题吗? 答案是不会。

相较与MIT论文中担心的“ 超导量子 ”,“九章”采用的是“ 光量子 ”。

所以与谷歌采用 零下273摄氏度 左右的超导线圈产生量子比特不同,潘建伟团队的实验大部分实验过程在 常温 下进行。

“超导量子”之所以会因为微弱的辐射就会失效,是因为超导量子位是由超导材料制成的电路由众多的成对电子组成,被称为 库珀对 (Cooper pair),这些成对电子在没有电阻的情况下流过电路,共同维持量子位的微弱叠加态。如果电路被加热或者被破坏,电子对就会分裂成“ 准粒子 ” ,导致量子比特中的退相干,从而限制了它的运行时间。

MIT的研究人员为了验证辐射对“超导量子”电路影响有多大,并进一步证明将超导量子比特屏蔽在环境辐射之外可以提高相干时间,曾建立了一个2吨重的铅砖墙,可以身高和降低,用来对比屏蔽辐射和有辐射时“超导量子”的退相干时间。

通过比较这两个结果,他们有效地提取了环境辐射造成的影响,确认了之前的预测,并证明 屏蔽辐射可以提高超导量子比特的性能

既然“光量子”性能更稳定,那么为什么谷歌还要做超导量子呢?

这是因为尽管“光量子”更加稳定,但是其光学结构几乎不可能 集成到硅芯片 上,这就导致我们看到的“九章”的计算核心就是一个巨大的光学结构。


尽管“光量子”计算机在小型化上比较难,但是可能在 建立量子通信网络和量子互联网 上发挥作用。

德克萨斯大学奥斯汀分校的计算机科学教授斯科特·亚伦森表示,“未来也许可以将九章改造成一个通用量子计算机”。

综合来看,谷歌的超导量子计算机和“九章”光量子计算机 各有优劣 ,但是作为量子计算领域的两种技术路线,两者都有着广泛的前景。

“九章”更深远的意义在于,它的出现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。

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题图:pexels,CC0 授权