潘建伟 潘建伟师徒详解：实现“量子霸权”，中国“九章”何以后来居上？( 二 )
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▲量子计算机与经典计算机的区别
无论是谷歌的“悬铃木”还是中国的“九章”，它的计算能力都是世界第一超级计算机的数百万和数亿倍。300多位的大数分解，经典计算机需要15万年，量子计算机需要1秒。
“在摩尔定律接近极限的时代，在人们对计算能力需求呈指数级增长的时代，量子计算机必然会成为世界的前沿。”潘建伟介绍说，美国最近公布了量子计算领域的最新计划，英国、欧盟、日本等国家已经做出了相应的计划。这部《九章》的成功发展，为中国牢固确立国际量子计算研究第一方阵的地位奠定了技术基础。
量子计算机能更快吗？
未来发展需要新材料等领域的创新突破
虽然《九章》的计算能力已经快得惊人，但它只是在量子计算的第一阶段树立了一个里程碑，未来的路还很长。
经典计算机从专用计算机发展到通用计算机已经有20多年了，现在量子计算机处于专用计算机的最早时代。无论是谷歌的“悬铃木”还是“九章”，都只能用来解决一个具体问题。
潘建伟解释说，这是因为可以用来建造量子计算机的材料有限，只能“用食材做饭”，全世界都在朝几个方向努力。量子计算机未来的突破更有可能依赖于量子计算硬件中新材料的创新。
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▲光量子干涉物理图
然而，即使量子计算只是到了今天，它仍然显示出诱人的应用前景。基于《九章》的高斯玻色采样算法有望在图论、机器学习、量子化学等方向得到应用。
另一个问题是，人们如何知道这些早期量子计算原型的结果是正确的？潘建伟团队通过与国家并行计算机工程与技术中心的合作，在超级计算机上验证了“九章”中获得的初步结果，从简单到复杂，直到超级计算机无能。如果少数光子结果可以验证，那么同一器件的多光子结果也将可信。
在论文发表在《科学》杂志上的同时，潘建伟的团队已经开始向下一个里程碑迈进:新的量子计算实验装置已经在实验室搭建完成，性能将进一步提升。
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76光子100模干涉电路的玻色采样
抽样是指从某一概率分布中抽取样本的过程，其主要目的是通过少量的关键样本高效地获取整个分布的关键信息。波色采样是指从一个高度纠缠的多光子量子态定义的概率分布中采样的过程。
在“九章”量子计算原型中，有100个光纤通道，最多有76个光子可以同时进入这些通道。这些光子由一个特殊的量子光源发出，保证76个光子完全相同。在通道的末端放置了高性能的光子探测器，可以精确的捕获每一个下落的光子。
可以说，实验的每一步，从仪器的研制到设备的部署，都需要经过严格的计算和精心的调制:2m自由空的50路和20m光纤路之间的抖动必须控制在25nm以内，相当于跑100km的距离，误差小于一毛。
量子计算的三个指数发展阶段
第一阶段是研制一台50-100量子位的高精度专用量子计算机，能够高效解决一些超级计算机做不到的高复杂性具体问题，实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。
第二阶段，通过对大规模多体量子系统的精确制备、操纵和探测，研制出能够相干操纵数百个量子位的量子模拟器，用于解决一些超级计算机无法解决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。
【潘建伟 潘建伟师徒详解：实现“量子霸权”，中国“九章”何以后来居上？】
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