62比特、可编程，潘建伟团队成功研制超导量子计算原型机「祖冲之号」

机器之心报道

编辑：杜伟

从 12 比特、24 比特再到如今的 62 比特，中科大潘建伟团队在超导量子计算领域稳扎稳打，为在超导量子系统上实现量子优越性以及未来研究具有实用价值的量子计算奠定了基础。

在原理上，与经典计算机相比，量子计算机具有超快的并行计算能力。借助特定的算法，量子计算机可以在材料设计、密码破译、天气预报、药物分析等多领域实现相比经典计算机指数级的加速。目前，作为一项日益重要的前沿科技，量子计算机已经成为各国科技角逐的焦点之一。

在量子计算的多条发展路线中，超导量子计算是实现可扩展量子计算机最有前途的技术之一。在过去的二十年中，超导量子计算取得了巨大的进步。中科大潘建伟院士团队就一直致力于超导量子计算的研究，并取得了一系列令人瞩目的研究成果。

2019 年，潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的超导量子实验团队先后实现了保真度达到 70% 的 12 比特超导量子芯片和 24 比特的超导量子处理器，这两项研究成果均在《物理评论快报》上发表。

近日，潘建伟团队又实现了新的突破，成功研制出了 62 比特可编程超导量子计算原型机「祖冲之号」，目前在国际上超导量子比特数量最多，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走（quantum walk）。这项研究成果在国际学术期刊《科学》上发表。

文章链接：https://science.sciencemag.org/content/early/2021/05/05/science.abg7812/tab-figures-data

据悉，超导量子处理器上可编程量子行走的实现是一个至关重要的技术里程碑，不仅为更复杂的量子多体模拟奠定坚实的基础，而且未来可以进一步应用于量子搜索算法甚至通用量子计算。

研究概述

量子行走是经典随机游走的量子力学模拟，也是量子模拟、量子搜索算法以及通用量子计算中非常强大的一种工具。在潘建伟团队此次的研究中，他们研制出了一个包含 62 个功能性量子比特的 8x8 二维方形超导量子比特阵列，并使用该装置演示了高保真单粒子和双粒子的量子行走。

下图为 62 比特超导量子处理器的布局和架构，其中 A 为二维示意图，B 为量子比特阵列单元的电路图，C 为量子比特标签。

二维超导量子比特阵列上的量子行走相关演化过程如下图所示：

此外，得益于量子计算原型机的高度可编程性，研究者通过调制量子比特连接的拓扑结构实现了一个马赫 - 曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪，其中量子 walker 在干涉和射出之前沿两条路径运动，实现了可编程的双粒子量子行走。

通过调整演化路径上的障碍，研究者观察到了单个和两个 walker 的干涉条纹。

下图左为单粒子 Mach-Zehnder 干涉仪，图右为 Mach-Zehnder 干涉仪中的两个 walker：

随着激发数和处理器尺寸的增加，多个 walker 的实现将推动我们在超导量子系统上实现量子优越性。

研究者表示，这项研究成果是该领域的重要里程碑，有助于未来大规模量子应用在中型量子处理器上的进一步实现。

参考链接：

https://www.cnbeta.com/articles/tech/1125343.htm

http://www.cas.cn/syky/201908/t20190804_4706191.shtml

https://news.cctv.com/2021/05/09/ARTIld99gh18uEKajhdvOr71210509.shtml