再登Science！潘建伟团队造出全球最高比特数超导量子计算原型机“祖冲之号”

来源 | 澎湃新闻

近日，由中国科大中科院量子信息与量子科技创新研究院（以下简称量子创新研究院）潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队，研制出了62个量子比特的可编程超导量子计算原型机，取名“祖冲之号”，研究人员还在此基础上实现了可编程的二维量子行走。相关论文于2021年5月7日发表在 Science 上。

论文链接：https://science.sciencemag.org/content/early/2021/05/05/science.abg7812

从原理层面上，量子计算机具有超快的并行计算能力，未来有希望通过特定算法在密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等具有重大社会和经济价值的问题上，实现相对于经典计算机的指数级别加速。

超导量子计算是最有希望实现可拓展量子计算的候选者之一，如何同步地增加所集成的量子比特数目以及提升超导量子比特性能是其核心目标，然后才能以高精度相干操控更多的量子比特，对特定问题处理速度实现指数加速，最终在实际问题中得到应用。

量子计算目前包括以下技术体系：超冷原子、离子阱、光子、超导量子比特、半导体量子点、拓扑量子计算、N-V色心等。

其中，超导量子比特目前是进展最快、最好的技术路线。

有两个原因，第一个是其电路设计定制的可控性强，可扩展性优良，可依托现有的集成电路工艺。第二个是它的可扩展性非常强，固态器件、电学方向能够将未来的量子计算与经典的计算机相兼容融合。

超导量子比特的缺点在于依赖极为苛刻的物理环境（超低温），容易退相干（相干时间短）。

研究人员长期瞄准超导量子计算的上述核心目标，取得了一系列重要进展。

2019年初，他们在一维链结构12比特超导量子芯片上实现了12个量子比特纠缠“簇态”的制备，达到了70％的保真度（Phys. Rev. Lett. 122, 110501 (2019)），之前创造的10个超导量子比特纠缠的纪录被打破了。

同时，该团队还进行了将超导量子比特应用到量子行走的开创性研究中, 为未来利用量子行走进行通用量子计算的研究以及多体物理现象的模拟奠定了基础（Science 364, 753 (2019)）。

随后，通过将芯片结构从一维扩展到准二维，团队制备出了包含24个比特的高性能超导量子处理器，首次在固态量子计算系统中，实现了超过20个比特的高精度量子相干调控(Phys. Rev. Lett. 123, 050502 (2019))。

近期，在自主研制二维结构超导量子比特芯片的基础上，该团队成功构建了国际上超导量子比特数目最多、包含62个比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，二维可编程量子行走的演示也在该系统上成功进行。

在二维结构的超导量子比特芯片上，研究人员观察了单粒子、双粒子激发情形下的量子行走现象，研究了二维平面上的量子信息传播速度，同时他们通过调制量子比特连接的拓扑结构的方式构建了马赫-曾德尔干涉仪，实现了可编程的双粒子量子行走。

二维超导量子比特芯片的示意图，其中每个橘色十字代表一个量子比特。

潘建伟在量子计算领域屡创佳绩。去年12月，他与陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。

根据现有理论，该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍（“九章”一分钟完成的任务，超级计算机需要大约一亿年）。

等效地，其速度比之前谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”（Sycamore）快一百亿倍。这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性（国外也称之为“量子霸权”），相关论文于12月4日以“First Release”形式在线发表于Science。

加拿大卡尔加里大学教授、量子科学和技术研究所所长 Barry Sanders 对“九章”评价道：

我认为这是一项杰出的工作，改变了当前的格局 ( It’s the game changer)。我们一直努力证明量子信息处理可以战胜经典的信息处理。这个实验使经典计算机望尘莫及。 去年，谷歌取得了一项巨大的成果，即量子计算优越性，但这是有争议的……这个实验（潘建伟院士团队的实验）不存在争论，毫无疑问，该实验取得的结果远远超出了传统机器的模拟能力。

“祖冲之号”为在超导量子系统上实现量子优越性展示及可解决具有重大实用价值问题的量子计算研究奠定了技术基础。

此外，基于“祖冲之号”量子计算原型机的二维可编程量子行走在量子搜索算法、通用量子计算等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。

参考链接：

https://www.163.com/dy/article/G9GF8S7R0514R9P4.html