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量子紀元:從“天衍”回看量子計算發(fā)展史
2024-06-17 中電信量子微信公眾號
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從圖靈的原始設想到現代的微型芯片,從最初的巨型大腦到掌中的智能手機,計算機的進(jìn)化史,就是人類(lèi)智慧的飛躍史。

準備好了嗎?快按下回車(chē),一起進(jìn)入這個(gè)由0和1編織的數字世界。

01 從何說(shuō)起 起源竟來(lái)自于這兒

在歷史的長(cháng)河中,數學(xué)界的魔術(shù)師阿蘭·圖靈,以他的天才創(chuàng )意,為我們帶來(lái)了一臺機器——圖靈機。這臺機器不僅改寫(xiě)了戰爭的走向,更悄然改變了社會(huì )的走向。

圖靈,原本在倫敦富裕家庭長(cháng)大,14歲那年,他踏入了美國謝伯恩公學(xué)的大門(mén),開(kāi)始科研之路。歷史的車(chē)輪滾滾向前,第二次世界大戰的硝煙,無(wú)情地打斷了他的學(xué)術(shù)夢(mèng)。當時(shí),為了取得戰爭的勝利,德國升級了密碼設備,開(kāi)始啟用英格爾碼密碼機——又稱(chēng)為“啞謎機”或“謎式密碼機”,可見(jiàn)其破譯難度之大。

由于德國密碼設備的嚴密,面對重要軍情,英國情報機構只能監聽(tīng)到一些茫然不解的信息。美國和法國,也相繼遇到類(lèi)似的情形。各國逐漸認識到事態(tài)的嚴重性,開(kāi)始重視英格爾碼的破解工作。

1939年秋,圖靈臨危受命,負責破譯英格爾碼密碼機?!凹偃绨堰@些技術(shù)放在一起,可以建造什么?”這個(gè)問(wèn)題的答案,在當時(shí)的別人看來(lái),簡(jiǎn)直是“天方夜譚”。

“我們可以建造一臺計算機!”在歷經(jīng)無(wú)數個(gè)日日夜夜,圖靈和他的團隊成員專(zhuān)門(mén)設計、建造了一臺機器,破解德軍的英格爾碼密碼,也就是世界上的第一臺軍用計算機——圖靈機。

后來(lái),圖靈機在軍事中得到廣泛應用。

1941年,英國情報機關(guān)利用圖靈機準確破譯了德軍的一份密電,輕而易舉地得到了世界上最厲害的一艘巨型裝甲戰列艦——“俾斯麥”號的行軍路線(xiàn),造成德軍如此巨大的損失,圖靈機功不可沒(méi)。

02 如何而生 生根發(fā)芽能有多快

自從圖靈機在人類(lèi)智慧的海洋中激起漣漪,計算機的發(fā)展便開(kāi)始了一段波瀾壯闊的旅程。這股技術(shù)浪潮不僅推動(dòng)了計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,也為我們帶來(lái)了前所未有的計算能力。隨著(zhù)時(shí)間的推移,傳統的計算方法逐漸接近其物理極限,而量子計算的出現,預示著(zhù)計算能力的又一次飛躍。

今天,從量子計算到量子計算機的發(fā)展也僅是剛過(guò)了起步階段。為了實(shí)現在特定問(wèn)題上的計算能力遠超傳統超級計算機的目標,科學(xué)家們認識到至少需要約50個(gè)量子比特的精準操控,這是一個(gè)極具挑戰性的目標。

目前,全球僅有4臺量子計算機宣布實(shí)現了“量子優(yōu)越性”,這是一個(gè)重要的里程碑,意味著(zhù)這些計算機在某些特定任務(wù)上的表現超越了最強大的傳統計算機。值得驕傲的是,我國的光量子計算機“九章”和超導量子計算機“祖沖之二號”占據了其中的兩席。

九章,源于古代數學(xué)專(zhuān)著(zhù)《九章算術(shù)》。這本書(shū)成于公元一世紀左右,總結了戰國、秦、漢時(shí)期的數學(xué)成就,歷來(lái)被尊為算經(jīng)之首。為了紀念這本書(shū),我們以它的名字命名了“九章”量子計算機。

2020年,“九章”光量子計算原型機求解了最高達76光子的高斯玻色采樣問(wèn)題,求解速度超越經(jīng)典超級計算機,在國際上首次實(shí)現基于光學(xué)體系的量子計算優(yōu)越性,使得中國成為全球第二個(gè)實(shí)現“量子優(yōu)越性”的國家。

高斯玻色采樣問(wèn)題聽(tīng)起來(lái)可能有點(diǎn)復雜,但讓我們試著(zhù)用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)理解它。

假如你在一個(gè)巨大的圖書(shū)館,需要找到幾本特定的書(shū)。在傳統計算機的幫助下,可能需要一本一本查找,非常耗時(shí)。

但有了量子計算機,它可以同時(shí)檢查整個(gè)圖書(shū)館的每本書(shū),迅速找到你所需要的。高斯玻色采樣越高,它從大量可能性中篩選出正確的量子態(tài)組合的速度也越快。

以上是對“九章”光量子計算原型機的簡(jiǎn)單了解,“祖沖之號”超導量子計算原型機地位同樣重要。

“祖沖之號”源于古代數學(xué)家祖沖之,他以超凡的才能,將圓周率的計算推向了一個(gè)新的高度。

2021年,我們以他的名字命名了一款超導量子計算原型機——“祖沖之號”。這臺量子計算機,擁有62個(gè)超導量子比特,是當時(shí)國際上超導量子比特數目最多的可編程超導量子計算原型機,解決一個(gè)又一個(gè)復雜的計算問(wèn)題。

2021年,我們又迎來(lái)了“祖沖之二號”,它的量子比特數達到了66比特。

打個(gè)比方,量子比特數達到66比特,就像是我們的量子計算機擁有了一個(gè)巨大的并行處理能力,它們可以同時(shí)以多種不同的狀態(tài)存在。這意味著(zhù)它可以一次性處理海量的信息,比傳統計算機的效率要高出許多。

“九章”和超導量子計算機“祖沖之二號”的誕生,讓中國成為全球唯一在超導量子和光量子兩種物理體系上都實(shí)現“量子計算優(yōu)越性”的國家,這是多么令人驕傲的成就!

03 量子計算 迎來(lái)發(fā)展新突破

基于量子計算的潛力和優(yōu)勢,2023年,在中國科學(xué)院量子創(chuàng )新院指導下,中電信量子集團研發(fā)了“天衍”量子計算云平臺。

該平臺實(shí)現了“天翼云”超算算力和 176 量子比特超導量子計算能力的融合,是全球首個(gè)接入已實(shí)現量子優(yōu)越性的超導量子計算機(祖沖之二號系列)的量子計算云平臺,并已免費開(kāi)放全球訪(fǎng)問(wèn)。

“天衍”量子計算云平臺具有“量子優(yōu)越”、“自主可控”、“算力顛覆”、“生態(tài)融合”四大核心優(yōu)勢,支持超算及量子計算任務(wù)的云上混合調度,可以推動(dòng)量子計算在量子化學(xué)研究、新藥新材料開(kāi)發(fā)、能源氣象模擬、人工智能等場(chǎng)景的應用。

最近,這個(gè)平臺又有了新動(dòng)作——計劃接入基于“驍鴻”芯片研發(fā)的量子計算整機。500+比特量子計算機的云端接入,可以高效承載各領(lǐng)域用戶(hù)對有實(shí)用價(jià)值的問(wèn)題和算法開(kāi)展研究,加速量子計算在實(shí)際場(chǎng)景中的應用,引領(lǐng)量子計算生態(tài)的快速發(fā)展。

可以說(shuō),時(shí)至今日,我國的量子計算已經(jīng)實(shí)現了從跟跑、并跑到部分領(lǐng)跑的歷史飛躍。那么,量子計算的未來(lái)如何發(fā)展?

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉回答了這個(gè)問(wèn)題。

“近期3-5年里,我們希望在解決某些特定物理問(wèn)題或者化學(xué)材料問(wèn)題中,找到一兩個(gè)應用的范例。這些問(wèn)題無(wú)法通過(guò)超級計算機解決,必須通過(guò)專(zhuān)用的量子計算機或者量子模擬機解決。在不久的將來(lái),量子計算會(huì )有比較好的進(jìn)展?!?/p>

量子計算的未來(lái)充滿(mǎn)無(wú)限可能,讓我們拭目以待,一起見(jiàn)證這場(chǎng)科技革命的到來(lái)!

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