本文转自:北京日报

本报记者 赵语涵

量子院成果登上国际期刊封面。
当现有量子计算机因性能短板无法在计算中跑出加速优势,除了等待硬件突破升级,是否还有新的思路让量子计算率先在实际应用中跑起来?
8月,权威国际学术期刊《自然·计算科学》(Nature Computational Science),在封面上推荐了一份全新研究成果——《Evidence of scaling advantage on an NP-complete problem with enhanced quantum solvers》(《增强型量子求解器在NP完全问题上的标度优势证据》)。论文用实证揭示了量子计算具备规模化扩展优势,而这套量子计算“巧算”方案,来自中国研究团队,由北京量子信息科学研究院龙桂鲁教授团队牵头,联合清华大学、深圳大学共同攻关。
什么是NP完全问题?其中文全称是多项式复杂程度的非确定性问题。在生产生活中,这类问题无处不在。航空机组排班、物流路径规划、城市资源统筹调度,都属于典型的复杂组合优化问题。这类问题的共性是“筛选答案极难、验证答案极易”。面对海量排列组合,传统超级计算机只能逐一试错排查,一旦问题变量增多,计算量就会出现爆炸式增长,耗费海量算力与时间。
长期以来,NP完全问题是经典计算难以突破的技术瓶颈。对此,行业内普遍寄希望于量子计算实现算力加速,但当前的量子计算机仍处于发展初期,有着量子比特数量有限、硬件存在固有噪声等短板,无法在解决NP完全问题上大显身手。如何在现有硬件条件下真正跑出量子算力优势,形成可验证、可扩展的加速效果?
“我们没有一味等待硬件迭代升级,而是换了一种新思路,从算法逻辑突破困局。”龙桂鲁介绍,团队创新提出限制空间缩减算法RSRA,搭建了一套由经典计算先筛选、量子计算解“难题”的协同“巧算”新架构。
如何理解这套“巧算”方案?龙桂鲁给出一个形象的比喻:为算力“智能剪枝”。传统求解模式中,量子计算需要遍历所有可能性,如同大海捞针,效率低下。而新方案中,经典计算机率先充当“前置筛选员”,快速剔除大量不合理、不成立的无效答案,大幅压缩备选求解空间,最后仅将最核心、最复杂的难题交给量子硬件精准求解。
通过“智能剪枝”,在不额外增加硬件成本、不转嫁算力负担的前提下,算法所需的量子比特数量可以缩减近一半,从而适配现阶段的量子计算机,盘活设备算力潜能。研究团队运用这套“巧算”方案,在13比特超导量子处理器真机中进行了实测,发现求解成功率大幅提升,特别是伴随计算规模的不断增大,清晰印证出量子计算的扩展优势。
相较于专项技术突破,这套“巧算”方案更大的价值在于广阔的产业迁移应用空间。龙桂鲁介绍,本次研究虽以经典数学问题为测试载体,但先用经典计算筛选、再由量子计算攻克核心难点问题的协同模式通用性极强,未来可广泛适配航空调度、物流配送、公共资源分配等复杂场景,有望帮助产业在海量约束条件下快速锁定最优方案,大幅压缩运算周期,降低调度成本。
当前全球量子计算仍处于含噪声中等规模量子发展阶段,北京量子信息科学研究院的研究成果,跳出“唯硬件论”的固有思维,通过算法创新,有望激活现有量子硬件算力价值。同时,成果也为全球量子软件产业提供全新研发思路,证明经典计算机与量子计算机深度协同,是现阶段释放量子生产力、推动技术从实验室走向产业应用的可行路径。
1913年,尼尔斯·玻尔以量子化理论重构原子模型,一束穿透微观世界的思想之光,照亮了量子科学的探索之路。100多年后的今天,量子科技的战略地位不断上升,已被纳入前瞻布局的未来产业范畴,成为培育新质生产力、重塑全球产业竞争格局的关键变量。
龙桂鲁表示,未来,团队将持续打磨算法体系,扩大仿真测试规模,推动算法模型向更多工业优化、城市治理场景迁移落地,持续把前沿突破转化为可落地、可赋能的产业算力。
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