我国量子计算优越性研究取得重要进展

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导读

“祖冲之二号”与“九章二号”来啦！

近日，中国科学技术大学科研团队在超导量子和光量子两种系统的量子计算方面取得重要进展，使我国成为目前世界上唯一在两种物理体系达到量子计算优越性里程碑的国家。

【CCTV-朝闻天下】我国量子计算优越性研究取得重要进展

中国科大成功实现超导体系“量子计算优越性”

中国科学技术大学中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队与中科院上海技术物理研究所合作，构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解。根据现有理论，“祖冲之二号”处理的量子随机线路取样问题的速度比目前最快的超级计算机快7个数量级，计算复杂度比谷歌公开报道的53比特超导量子计算原型机“悬铃木”提高了6个数量级（“悬铃木”处理“量子随机线路取样”问题比经典超算快2个数量级），这一成果是我国继光量子计算原型机“九章”后在超导量子比特体系首次达到“量子计算优越性”里程碑，使得我国成为目前唯一同时在两种物理体系都达到这一里程碑的国家。相关论文发表在《物理评论快报》和《科学通报》上。

祖冲之二号量子处理器图

量子计算机对特定问题的求解超越超级计算机，即量子计算优越性，是量子计算发展的第一个里程碑，达到该里程碑需要相干操纵50个以上量子比特。超导量子比特是国际公认的有望实现可扩展量子计算的物理体系之一。潘建伟、朱晓波、彭承志等长期瞄准超导量子计算领域，于2021年5月构建了当时国际上量子比特数目最多的62比特超导量子计算原型机“祖冲之号”，并实现了可编程的二维量子行走 [Science 372, 948 (2021)]。

团队在“祖冲之号”的基础上，采用全新的倒装焊3D封装工艺，解决了大规模比特集成的问题，研制成功“祖冲之二号”，实现了66个数据比特、110个耦合比特、11路读取的高密度集成，最大态空间维度达到了10¹⁹。“祖冲之二号”采用可调耦合架构，实现了比特间耦合强度的快速、精确可调，显著提高了并行量子门操作的保真度。通过量子编程的方式，研究人员实现了对量子随机线路取样，演示了“祖冲之二号”可用于执行任意量子算法的编程能力。根据目前已公开的最优化经典算法，“祖冲之二号”处理量子随机线路取样问题的速度比目前最快的超级计算机快7个数量级，计算复杂度较谷歌“悬铃木”提高了6个数量级。

量子计算优越性的成功演示标志着量子计算研究进入到发展的第二阶段，开始量子纠错和近期应用的探索。“祖冲之二号”采用二维网格比特排布芯片架构，直接兼容表面码量子纠错算法，为量子纠错并进一步实现通用量子计算奠定了基础。同时，“祖冲之二号”的并行高保真度量子门操控能力和完全可编程能力，有望在特定领域找到有实用价值的应用，预期应用包括量子机器学习、量子化学、量子近似优化等。

量子随机线路取样保真度随线路深度的变化及目前最快的超级计算机“富岳”完成相同任务需要的时间

上述项目受到了安徽省、上海市、科技部和中科院的支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180501

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927321006733

中国科大成功研制113个光子的“九章二号”量子计算原型机

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、刘乃乐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，发展了量子光源受激放大的理论和实验方法，构建了113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”，并实现了相位可编程功能，完成了对用于演示“量子计算优越性”的高斯玻色取样任务的快速求解。根据现有理论，“九章二号”处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快10²⁴倍。这一成果再次刷新了国际上光量子操纵的技术水平，进一步提供了量子计算加速的实验证据。

相关论文于2021年10月26日以“编辑推荐”的形式发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。著名量子物理学家、加拿大Calgary大学教授Barry Sanders同时受邀在Physics网站上誊写长篇评述文章，称赞该工作是“令人激动的实验杰作”（dramatic tour de force.....），“令人印象深刻的最前沿的进步”（an impressive advance over the state-of-the-art）。

九章二号量子计算机原型机

九章二号整体装置图(制图：陆朝阳，彭礼超)

量子计算机在原理上可通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面，获得比经典计算机更强的算力。早在1981年，费曼就提出了量子计算的初步想法。大规模量子计算机的物理实现是世界科技前沿的重大挑战之一。对于研制容错的通用量子计算，因其苛刻的容错阈值和大尺度的量子比特数目，离目前人类的科技发展水平尚有不小的差距。

因此，实现对于量子计算的物理实现，国际学术界采取三步走的路线图。其中，第一个里程碑，在学术上被称为“量子计算优越性”，其含义是通过高精度地操纵近百个物理比特，用来高效地解决超级计算机都无法在合理时间内解决的特定的高复杂度数学问题，从实验上确凿地证明四十年前费曼所提出来的量子计算加速设想，并驳斥“扩展丘奇—图灵论题”。

九章二号144模式干涉仪（部分）实验照片(摄影：马潇汉、杨建瑞、李丰、邓宇皓)

基于光子的玻色取样和基于超导比特的随机线路取样是实验展示量子计算优越性的两个重要方案。潘建伟团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平。2017年，该团队构建了世界首台超越早期经典计算机的光量子计算原型机。2019年，团队进一步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，输出希尔伯特态空间维度达到10¹⁴，逼近了“量子计算优越性”。

2020年，潘建伟团队成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”，输出量子态空间规模达到了10³⁰，处理高斯玻色取样的速度比超级计算机快一百万亿倍，同时克服了谷歌基于“悬铃木”超导处理器的随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。“九章”实验完成后，在理论提出玻色取样算法和证明计算复杂度的Scott Aaronson教授随后获得了由国际计算机协会颁发的ACM Prize in Computing。

2021年，团队在“九章”的基础上，进行了一系列概念和技术创新。受到激光—“受激辐射光放大”概念的启发，研究人员设计并实现了受激双模量子压缩光源，显著提高了量子光源的产率、品质和收集效率。其次，通过三维集成和收集光路的紧凑设计，多光子量子干涉线路增加到了144维度。由此，“九章二号”探测到的光子数增加到了113个，输出态空间维度达到了10⁴³。进一步，通过动态调节压缩光的相位，研究人员实现了对高斯玻色取样矩阵的重新配置，演示了“九章二号”可用于求解不同参数数学问题的编程能力。根据目前已正式发表的最优化经典算法，“九章二号”在高斯玻色取样这个问题上的处理速度比最快的超级计算机快亿亿亿倍。

论文数据图 a图表示输出态空间的维度 b图表示光量子计算原型机相比超算的优势倍数

研究人员希望这个工作能够继续激发更多的经典算法模拟方面的工作，也预计将来会有提升的空间。量子优越性实验并不是一个一蹴而就的工作，而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争，但最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180502

美国物理学会Physics网站专家点评：https://physics.aps.org/articles/v14/147

论文第一作者是博士研究生钟瀚森、邓宇浩、覃俭。上述项目受到了中国科学院、安徽省、科技部、基金委和上海市的支持。

袁岚峰新书上市：

最近，我的科普书《量子信息简话》上市了。此书有潘建伟院士作序，朱清时、包信和、周忠和、窦贤康、杨金龙、杜江峰等六位院士推荐，加上潘建伟总共有七位院士联袂推荐。此书的副标题是“给所有人的新科技革命读本”，确实是所有人。无论是中小学生，还是大学生、研究生，还是专业的科研、科普、教育工作者，还是政府工作人员，只要是对科学感兴趣的人，都可望从中得到收获。大家可以到中国科学技术大学出版社的官方微店（https://weidian.com/item.html?itemID=4433614793）或者京东（https://item.jd.com/10038970970840.html）、天猫（https://detail.tmall.com/item.htm?spm=a1z10.3-b-s.w4011-22776463319.30.6f067cc8EoePU4&id=657676176196&rn=41a5f751d476665d282f725d0bcb04b7&abbucket=17&skuId=4925013071459）购买，谢谢支持。