我国科学家成功研制的“九章三号”的量子计算原型机究竟有多强？
实验装置示意图，图片来自网络
Hello，大家好，这里是【科学羊】公众号，今天我们看一个昨天刚发布的新信息关于“九章三号”光量子计算机原型机方面的信息，看看我们能学到什么知识。
2023年10月11日，援引观察者网消息，我国科学技术大学量子研究院的团队带来全新突破，项目负责人包括陆朝阳，潘建伟等，该团队与上海微系统研究所等专业机构合作，成功构建了255个光子的量子计算原型机，名为“九章三号”，它是“九章”量子计算机中的第3代产品。
“九章”系列的命名起源于我国的古代著名数学书籍九章算术，又因为数学是现代科学的基础，因此九章系列代表着承上启下，代表了我国古代科学成就的同时展望了未来。
背景
据悉，全球最快的超级计算机，基于AMD的基础技术加持，可以进行百亿亿级别的计算。
但在计算速度与应用前景上，量子计算机与超级计算机不可同日而语，跟量子计算机对比，超算只能是旧时代的余晖，就计算能力而言，全球最快的超级计算机“前沿”需要花费200亿年计算的数据，“九章三号”只需要花费百万分之1秒，就可以得出一个精准的计算结果。
好，今天我们来掰扯下这个科技，到底什么是量子计算机、以及为什么量子计算机的会比传统计算机快。
什么是量子计算原型机？
量子计算原型机是一种基于量子力学原理的计算机的初步模型，与传统的经典计算机不同，量子计算机使用量子比特（qubits）作为其基本的信息单元，而传统计算机使用二进制位（bits）。
而量子比特可以同时存在于多种状态（即0和1），这是通过量子叠加原理实现的。这种特性使得量子计算机能同时处理多个计算任务，大大提高了计算效率。
量子纠缠我们之前提到过，它是量子力学中的一种现象，它使得量子比特之间可以相互影响，即使它们相隔很远。通过利用量子纠缠，可以瞬间传递信息，这对计算来说大大降低了时间。
好，基本概念就先到这里啦。
我们接下来聊聊这里的技术问题，新闻不断强调，求解特定的数学问题，如高斯玻色取样问题时，其速度比目前全球最快的超级计算机快一亿亿倍。
那么到底什么是高斯玻色子取样？
高斯玻色取样（Gaussian Boson Sampling, GBS）是量子计算中的一种特定任务，它旨在展示量子计算机相对于经典计算机在某些计算任务上的优势，而这种任务是通过模拟光子在光学网络中的行为来完成的。可想而知这个取样任务对于现代传统计算机来说是一个巨大问题。
那么这个玻色子取样究竟有多复杂呢？
举个例子：
迷宫图 * 图片版权归科学羊拥有
想象我们有一个非常复杂的迷宫，光子是要穿越这个迷宫的探险者。在迷宫的每个交叉点，光子可以选择不同的路径前进，而在每个路径上，光子又可以与其他光子相遇并交互。这些交互会影响光子最终到达迷宫出口的可能性。每条可能的路径都代表了一个特定的输出结果。
现在，我们想要知道所有可能的路径和相应的输出结果的概率分布。
在一个小规模的迷宫中，我们可能可以通过穷举所有可能的路径来得到答案。
但是，随着迷宫的规模增大（例如，光子数量增加，交叉点和路径增加），穷举所有可能的路径将变得非常困难和耗时。
在极大规模的迷宫（例如九章三号的255个光子）中，即使是世界上最快的超级计算机也需要数十亿年才能穷举所有可能的路径和输出结果。
然而，量子计算机通过利用量子效应（如量子叠加和量子纠缠），可以在极短的时间内（例如1微秒）探索所有可能的路径并计算出相应的概率分布。这就是高斯玻色取样任务的复杂性和量子计算机在这方面的优势所在。
这个简单的类比帮助我们理解了高斯玻色取样任务的复杂性以及量子计算机如何有效地解决这种复杂任务。
图片版权归科学羊拥有
之前我还迷糊为啥是255个光子，可见是还是为了提升光子数来提升算力！
九章三号的研发团队在之前的版本中使用了较少数量的光子，例如九章二号使用了113个光子。通过增加光子数量到255个，九章三号刷新了光量子信息技术的世界记录，再次推动了光子量子计算技术的边界。
总结下来，其实这个研究的真正意义就是算力的提升，效率的提升，更重要的是我们国家技术实力的提升。我们昨天不是还说关于：银河系发展历史的模拟都用了三个月，如果未来用量子计算机估计不到一秒就可以模拟出来，这就是最本质的实际应用！
附录：
物理知识
高斯玻色取样
玻色子
取样
光子与量子
这种任务就像是一个特殊的游戏，它通过模拟光子（光的微粒）在一个特定的设备中如何移动和相互作用来完成。
这个游戏的目的是生成一些特殊的数据，这些数据在传统的计算机上很难快速产生，但在量子计算机上可以很快完成。（上面已解释）
玻色子是一种特殊的微粒，它遵循一些特殊的规则。在高斯玻色取样的情境中，我们用光子（光的微粒）来代替玻色子，因为光子也遵循相同的规则。
来自维基百科
“取样”这个词就是从一个大的数据集中抽取一些数据的意思。在这个任务中，我们通过模拟光子的行为来“取样”或生成一些特殊的数据。
光子是光的基本粒子，它们具有波粒二象性，既表现出波的性质，又表现出粒子的性质。
量子是物理学中描述微观粒子状态的术语，它可以指代光子、电子等微观粒子。量子力学是研究微观粒子行为的学科。
好，今天就到这里啦~
Masir - 2023/10/12
于东莞
祝幸福~
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