多重非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的同時(shí)分類。

近日，中國(guó)科技大學(xué)李傳鋒團(tuán)隊(duì)傳來(lái)捷報(bào)，他們創(chuàng)新性地將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用到量子力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題的研究中，并在此基礎(chǔ)上首次實(shí)現(xiàn)了

人工智能將轉(zhuǎn)變量子這項(xiàng)研究極大地提高了處理速度，最終可以為超級(jí)計(jì)算機(jī)鋪平比現(xiàn)有技術(shù)快十億甚至十萬(wàn)億倍的道路。

研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)成果十分關(guān)鍵。

1 機(jī)器學(xué)習(xí)攻克瓶頸

最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李傳峰量子研究團(tuán)隊(duì)，在權(quán)威國(guó)際物理雜志《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)發(fā)表研究結(jié)果。

該研究將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于研究量子力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題，首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的多重非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的同時(shí)分類。

計(jì)算亞原子量子領(lǐng)域中粒子之間的相關(guān)性質(zhì)與關(guān)系是一個(gè)耗時(shí)任務(wù)，而李傳峰團(tuán)隊(duì)的研究通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)大大節(jié)省這一耗時(shí)任務(wù)的計(jì)算時(shí)間。

因?yàn)榱Ｗ雨P(guān)聯(lián)的不同，它們所適用的任務(wù)也不一樣。除了量子糾纏，粒子可以通過(guò)量子導(dǎo)引來(lái)相互關(guān)聯(lián)。也就證明在某些情況下，粒子的性質(zhì)可以通過(guò)測(cè)量來(lái)改變。

大多數(shù)量子設(shè)備——從用于超安全通信的密鑰分配網(wǎng)絡(luò)、超高速量子計(jì)算機(jī)，到用于隱形飛機(jī)探測(cè)的量子雷達(dá)系統(tǒng)，都因?yàn)樾枰罅康奶幚頃r(shí)間確定粒子關(guān)聯(lián)，從而和實(shí)際應(yīng)用保持著很遠(yuǎn)的距離。

在合肥的中國(guó)科大多光子糾纏實(shí)驗(yàn)室，研究員正進(jìn)行量子計(jì)算和量子實(shí)驗(yàn)

「它的工作原理就像礦物分離」。中國(guó)科技大學(xué)的李傳峰教授說(shuō)：「AI 能告訴我們礦石中是否含有金、鐵或銅，因此我們可以將它們用于不同的用途。而這在以前是不可能做到的?！?/p>

直到現(xiàn)在，量子研究人員還必須測(cè)量一整套物理性質(zhì)，才能確定粒子之間的關(guān)聯(lián)類型。這項(xiàng)工作困難且耗時(shí)，而當(dāng)粒子數(shù)量增加時(shí)，工作量呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

「也許最終我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這不是一塊金子。但我們能知道的也僅限于此?！估顐麂h說(shuō)。

幾十年來(lái)，中國(guó)科技大學(xué)的研究人員們堅(jiān)持進(jìn)行量子實(shí)驗(yàn)，并積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

李傳鋒的團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)包含了 455 個(gè)量子態(tài)的非經(jīng)典關(guān)聯(lián)屬性的數(shù)據(jù)集。這些數(shù)據(jù)都是根據(jù)粒子間不同的關(guān)聯(lián)類型而被精心挑選出來(lái)的，比如量子糾纏、量子導(dǎo)引和貝爾非定域性等。

科學(xué)家們利用這個(gè)數(shù)據(jù)集，訓(xùn)練一臺(tái)具有深度學(xué)習(xí)算法的計(jì)算機(jī)，對(duì)粒子物理性質(zhì)的測(cè)量。現(xiàn)在 AI 可以達(dá)到的精確度超過(guò) 90%，而且所需的時(shí)間已經(jīng)被削減到在幾秒鐘就可以完成以前需要一個(gè)小時(shí)的計(jì)算。

機(jī)器也不需要對(duì)全部的信息才能對(duì)每個(gè)粒子進(jìn)行評(píng)估。研究人員只需要把兩種物理性質(zhì)的細(xì)節(jié)輸入機(jī)器，機(jī)器就能自動(dòng)填補(bǔ)空白，并做出正確的評(píng)估。

「這種方法將極大地增加量子信息處理的資源供應(yīng)?！估顐麂h說(shuō)。

重慶綠色與智能技術(shù)研究所副教授、論文合著者任昌亮表示，這一突破并不意味著人工智能比人腦更能掌握量子物理。

「我們給數(shù)據(jù)貼上標(biāo)簽，教育它，糾正它的錯(cuò)誤。AI 就會(huì)遵循人類的指引，但并沒(méi)有超越我們。」他說(shuō)。

與傳統(tǒng)方法相比，人工智能的另一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)，是它可以更有效地處理多維問(wèn)題，而量子物理中存在許多維度。任昌亮說(shuō)：「這兩個(gè)世界似乎很般配。」

科學(xué)家們認(rèn)為，這并不是他們研究的終點(diǎn)。

該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在計(jì)劃繼續(xù)用更大的數(shù)據(jù)集訓(xùn)練機(jī)器，并且還在開(kāi)發(fā)專門用于量子計(jì)算機(jī)的新人工智能技術(shù)，預(yù)計(jì)它將比當(dāng)今最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)快 1 萬(wàn)億倍。

一些研究人員說(shuō)，人工智能和量子計(jì)算的結(jié)合可能最終導(dǎo)致機(jī)器的智能等于或大于人類。

2 中科大的量子計(jì)算實(shí)力

此次將 AI 與量子計(jì)算結(jié)合的研究成果，只是李傳鋒團(tuán)隊(duì)在量子計(jì)算領(lǐng)域頻繁取得進(jìn)展的一小部分。

今年 11 月，李傳鋒、黃運(yùn)鋒研究組與英國(guó)合作者，通過(guò)在線性光學(xué)系統(tǒng)中，驗(yàn)證了糾纏態(tài)的相干性對(duì)橫向噪聲的適應(yīng)性，并進(jìn)一步證明在橫向噪聲中，糾纏態(tài)探針的量子測(cè)量精度可超越標(biāo)準(zhǔn)量子極限，在量子相干和量子精密測(cè)量的研究中取得重要進(jìn)展。該項(xiàng)研究成果 11 月 1 日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

10 月，李傳鋒、柳必恒等人與澳大利亞的理論物理學(xué)家合作，在量子力學(xué)基本問(wèn)題的研究中，首次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的高維量子導(dǎo)引，并用其產(chǎn)生私密量子隨機(jī)數(shù)。該研究成果 2019 年 10 月 23 日發(fā)表在國(guó)際權(quán)威物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

2018 年 8 月，李傳鋒、陳耕等人與南京大學(xué)合作者優(yōu)化量子弱測(cè)量的測(cè)量方法，把單光子克爾效應(yīng)測(cè)量精度再次提升接近一個(gè)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果首次逼近了最優(yōu)海森堡極限，再創(chuàng)量子精密測(cè)量領(lǐng)域最高測(cè)量精度。該研究成果 8 月 8 日發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

作為郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)下的團(tuán)隊(duì)，主要從事量子通信和量子計(jì)算的理論和實(shí)驗(yàn)研究。研究方向包括：量子糾纏態(tài)的產(chǎn)生與應(yīng)用、固態(tài)量子系統(tǒng)、量子網(wǎng)絡(luò)與量子物理。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任郭光燦

其導(dǎo)師郭院士是中科大物理學(xué)院光學(xué)學(xué)科的負(fù)責(zé)人，也是中國(guó)量子光學(xué)和量子信息的開(kāi)創(chuàng)者和奠基人。早在上世紀(jì)九十年代，郭院士同他的研究生就提出了「量子避錯(cuò)編碼原理」、「概率量子克隆原理」，在當(dāng)時(shí)的國(guó)際上引起很大反響，后被 2012 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，法國(guó)科學(xué)家沙吉·哈羅徹實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

除了李傳鋒，郭院士還有另一位高徒，郭國(guó)平教授。郭國(guó)平教授在量子計(jì)算芯片領(lǐng)域深耕近十年。自 2010 年開(kāi)始，作為首席科學(xué)家，連續(xù)主持開(kāi)展 973 國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目中的固態(tài)量子芯片項(xiàng)目和半導(dǎo)體量子芯片項(xiàng)目。目前，是國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體量子芯片研究領(lǐng)域的領(lǐng)頭人。

郭教授多年主持的項(xiàng)目中，孕育出了一個(gè)成熟的，近百人的量子計(jì)算技術(shù)工業(yè)化團(tuán)隊(duì)，也就是 2017 年誕生的本源量子前身。

在郭教授的產(chǎn)業(yè)思想領(lǐng)導(dǎo)下，本源量子從開(kāi)始就打造了一條，從半導(dǎo)體量子芯片、測(cè)控一體機(jī)、量子語(yǔ)言、操作系統(tǒng)、云服務(wù)到整機(jī)的完整產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈。

2018 年，本源量子發(fā)布了我國(guó)首款具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的量子測(cè)控一體機(jī);2019 年研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了完整實(shí)現(xiàn)了 Shor 算法的量子軟件開(kāi)發(fā)包「pyQPanda」，突破了中國(guó)量子計(jì)算在算法領(lǐng)域的零成績(jī)。

更是要在 2020 年將推出首臺(tái)國(guó)產(chǎn)自主產(chǎn)權(quán)量子計(jì)算機(jī)，含有 6 比特位量子芯片，目標(biāo)是追平 2016 年 IBM 發(fā)布的 5 量子位機(jī)器。

在量子計(jì)算領(lǐng)域，還有一個(gè)常被提起的人物，就是潘建偉院士的團(tuán)隊(duì)。

潘建偉(右)和陸朝陽(yáng)(左)

潘院士和彭承志、陳宇翱、陸朝陽(yáng)、陳增兵等人組成的研究團(tuán)隊(duì)，在量子力學(xué)基本問(wèn)題上展開(kāi)了漫長(zhǎng)而系統(tǒng)的研究。

他們將多光子糾纏和干涉技術(shù)應(yīng)用于量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域，引領(lǐng)和推動(dòng)了多光子糾纏及干涉量度學(xué)的發(fā)展，也在量子通信和光學(xué)量子信息處理上取得了關(guān)鍵性的突破。

3 多所高校競(jìng)逐量子高峰

盡管，在量子計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)起步晚，與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)存在較大差距，但不論是超導(dǎo)量子計(jì)算方面，還是拓?fù)淞孔佑?jì)算領(lǐng)域，我國(guó)的主要研究團(tuán)隊(duì)在近年來(lái)的表現(xiàn)都可圈可點(diǎn)。

除了中科大這支在世界范圍內(nèi)屢獲「首次」，成績(jī)亮眼的中國(guó)隊(duì)伍外，來(lái)自南京大學(xué)、中科院物理所、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等科研院校的課題組或團(tuán)隊(duì)也在領(lǐng)域內(nèi)做出了一些首創(chuàng)性的工作。

曾在潘院士團(tuán)隊(duì)鉆研過(guò)的陳增兵，如今來(lái)到了南京大學(xué)物理學(xué)院。該院早在 2014 年 1 月，就曾在超導(dǎo)量子比特的研究中取得重要進(jìn)展。率先在超導(dǎo)量子比特中實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了幾何相的朗道-基納(Landau-Zener)干涉。成果發(fā)表于國(guó)際物理學(xué)頂級(jí)刊物《物理評(píng)論快報(bào)》上。

2018 年，于揚(yáng)教授和朱詩(shī)亮教授二人的課題組，通過(guò)不斷努力，將理論和實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，利用超導(dǎo)量子比特模擬了新型拓?fù)潲溈怂鬼f金屬能帶結(jié)構(gòu)，在超導(dǎo)量子模擬方面取得重要成果。

另一個(gè)常與中科大緊密聯(lián)系的就是中科院物理所。

今年 8 月，研究員范桁，孟子楊等人，聯(lián)合北京計(jì)算科學(xué)研究中心張煜然博士，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)朱曉波教授、潘建偉教授等人組成科研團(tuán)隊(duì)，在具有 24 個(gè)量子比特的超導(dǎo)處理器上實(shí)現(xiàn)了 Bose-Hubbard 梯子模型的動(dòng)力學(xué)模擬，并成果觀測(cè)到一些新的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。

此外，范桁課題組，還和浙江大學(xué)王浩華課題組，以及中科大朱曉波課題組開(kāi)展過(guò)了多體局域化問(wèn)題的量子模擬研究。范桁研究員和其團(tuán)隊(duì)確定了具體實(shí)驗(yàn)方案，并完成了理論分析。在浙江大學(xué)完成測(cè)量，文章同樣發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

上文提到的浙江大學(xué)王浩華課題組，更是與中科大潘院士團(tuán)隊(duì)一起合作貢獻(xiàn)了出色的研究成果。

近來(lái)與潘建偉、朱曉波、陸朝陽(yáng)課題組，福州大學(xué)鄭仕標(biāo)課題組以及中科院物理所鄭東寧課題組等合作，聯(lián)合研發(fā)了十比特超導(dǎo)量子芯片，通過(guò)高精度脈沖控制和全局糾纏方案，成功實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)量子比特的多體糾纏，并通過(guò)層析測(cè)量方法完整地刻畫了十比特量子態(tài)。

此外還有以姚期智院士為首的清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)，上海交通大學(xué)的金賢敏團(tuán)隊(duì)，以及北京計(jì)算科學(xué)中心、山西大學(xué)、南方科技大學(xué)等科研團(tuán)體，他們的交流和聯(lián)合，為中國(guó)的量子計(jì)算的科學(xué)發(fā)展提供了充足的動(dòng)力。

4 量子計(jì)算和 AI，誰(shuí)成就誰(shuí)

雖然英特爾研究院院長(zhǎng) Rich Uhlig 這樣形容量子計(jì)算：馬拉松的一英里。但是量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，不論是理論還是應(yīng)用，都取得了長(zhǎng)遠(yuǎn)的進(jìn)步。

與人工智能的結(jié)合，也許會(huì)促使量子計(jì)算取得更加具有實(shí)質(zhì)性的突破。而隨著各大 BAT、AI 等科技企業(yè)的紛紛投入，也許有一天，我們可以預(yù)計(jì)，量子計(jì)算也反作用于我們的科技，會(huì)為人工智能的發(fā)展同樣帶來(lái)怎樣的新變革，也未可知。

關(guān)鍵詞： 量子計(jì)算 超算 時(shí)間瓶頸