雙里程碑！我國實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)、光兩種物理體系“量子計(jì)算優(yōu)越性”

10月26日消息（余予）當(dāng)前，以量子信息科學(xué)為代表的量子科技正在不斷形成新的科學(xué)前沿、激發(fā)革命性的科技創(chuàng)新、孕育對人類社會產(chǎn)生巨大影響的顛覆性技術(shù)。

量子計(jì)算機(jī)對特定問題的求解超越超級計(jì)算機(jī)，即量子計(jì)算優(yōu)越性，是量子計(jì)算發(fā)展的第一個(gè)里程碑，達(dá)到該里程碑需要相干操縱50個(gè)以上量子比特。超導(dǎo)量子比特與光量子比特是國際公認(rèn)的有望實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算的物理體系。中國科大量子研究團(tuán)隊(duì)長期瞄準(zhǔn)超導(dǎo)量子及光量子計(jì)算方面，已經(jīng)取得一系列重要進(jìn)展。

據(jù)報(bào)道，近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子創(chuàng)新研究院研究團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)量子和光量子兩種系統(tǒng)的量子計(jì)算方面取得重要進(jìn)展，使我國成為目前世界上唯一在兩種物理體系達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑的國家。

經(jīng)過研究攻關(guān)，超導(dǎo)量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號”，實(shí)現(xiàn)了對“量子隨機(jī)線路取樣”任務(wù)的快速求解； 同時(shí)，光量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了113個(gè)光子144模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號”，其處理特定問題的速度比超級計(jì)算機(jī)快億億億倍，并增強(qiáng)了光量子計(jì)算原型機(jī)的編程計(jì)算能力。

超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號”

據(jù)了解，今年5月，中國科大中科院量子創(chuàng)新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)量子處理器的研究上取得重大突破，成功研制了62比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號”。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還基于此原型機(jī)成功進(jìn)行了二維可編程量子行走的演示。

據(jù)“祖沖之號”成功研制僅過去不足半年，中國科大中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海技術(shù)物理研究所合作，基于“祖沖之號”構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號”，實(shí)現(xiàn)了對“量子隨機(jī)線路取樣”任務(wù)的快速求解。

根據(jù)目前已公開的最優(yōu)化經(jīng)典算法，“祖沖之二號”處理量子隨機(jī)線路取樣問題的速度比目前最快的超級計(jì)算機(jī)快7個(gè)數(shù)量級，其計(jì)算復(fù)雜度較谷歌“懸鈴木”提高了6個(gè)數(shù)量級。（“懸鈴木”處理“量子隨機(jī)線路取樣”問題比經(jīng)典超算快2個(gè)數(shù)量級）。

圖一：祖沖之二號量子處理器圖

量子計(jì)算優(yōu)越性的成功演示標(biāo)志著量子計(jì)算研究進(jìn)入到發(fā)展的第二階段，開始量子糾錯(cuò)和近期應(yīng)用的探索。

“祖沖之二號”采用二維網(wǎng)格比特排布芯片架構(gòu)，直接兼容表面碼量子糾錯(cuò)算法，為量子糾錯(cuò)并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，“祖沖之二號”的并行高保真度量子門操控能力和完全可編程能力，有望在特定領(lǐng)域找到有實(shí)用價(jià)值的應(yīng)用，預(yù)期應(yīng)用包括量子機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)、量子近似優(yōu)化等。

圖二：量子隨機(jī)線路取樣保真度隨線路深度的變化及目前最快的超級計(jì)算機(jī)“富岳”完成相同任務(wù)需要的時(shí)間。

光量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號”

2020年，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了76個(gè)光子100個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)到了1030，處理高斯玻色取樣的速度比超級計(jì)算機(jī)快一百萬億倍，同時(shí)克服了谷歌基于“懸鈴木”超導(dǎo)處理器的隨機(jī)線路取樣實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。

在“九章”基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列概念和技術(shù)創(chuàng)新。中國科大中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，發(fā)展了量子光源受激放大的理論和實(shí)驗(yàn)方法，構(gòu)建了113個(gè)光子144模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號”，并實(shí)現(xiàn)了相位可編程功能，完成了對用于演示“量子計(jì)算優(yōu)越性”的高斯玻色取樣任務(wù)的快速求解。

根據(jù)現(xiàn)已正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典算法理論，“九章二號”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計(jì)算機(jī)快1024倍。這一成果再次刷新了國際上光量子操縱的技術(shù)水平，進(jìn)一步提供了量子計(jì)算加速的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

圖1：九章二號整體裝置圖(制圖：陸朝陽，彭禮超)

圖2：九章二號144模式干涉儀（部分）實(shí)驗(yàn)照片(攝影：馬瀟漢，楊建瑞，李豐，鄧宇皓）

研究人員表示，希望這個(gè)工作能夠繼續(xù)激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作，也預(yù)計(jì)將來會有提升的空間。量子優(yōu)越性研究并不是一個(gè)一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計(jì)算硬件之間的競爭，但最終量子并行性會產(chǎn)生經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法企及的算力。

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