量子計(jì)算原理上具有強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，可望通過特定算法在如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等一系列領(lǐng)域相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。

黨的 100 歲華誕來臨之際，由來自合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、上海量子科學(xué)研究中心、中科院量子創(chuàng)新研究院等機(jī)構(gòu)的潘建偉、朱曉波、陸朝陽、彭承志等教授和研究員合作撰寫的“Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor” 一文在 arXiv 發(fā)表了論文預(yù)印本。

論文介紹了中國由 66 個(gè)功能量子比特組成可調(diào)諧耦合結(jié)構(gòu)的 “祖沖之號(hào)” 處理器，其破紀(jì)錄地展示了對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的 “量子霸權(quán)”（又稱量子計(jì)算優(yōu)勢，“祖沖之號(hào)” 1.2 小時(shí)完成的任務(wù)，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要至少 8 年），完成的采樣任務(wù)計(jì)算復(fù)雜度相比 2019 年的谷歌 “Sycamore” 量子處理器要高出 2-3 個(gè)數(shù)量級(jí)。

更多的量子比特

“Sycamore” 處理器在 2019 年就已經(jīng)展現(xiàn)了完勝傳統(tǒng)計(jì)算的 “量子霸權(quán)”，但更多數(shù)量的量子比特對(duì)于“迎戰(zhàn)”不斷迭代更新的傳統(tǒng)計(jì)算技術(shù)尤為重要。

“祖沖之號(hào)”量子處理器 66 個(gè)量子比特的數(shù)量，可謂是量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域一個(gè)重要的里程碑。據(jù)文章介紹，“祖沖之號(hào)”由 66 個(gè) Transmon 量子比特（Qubit）構(gòu)成，其被排列成 11 行 6 列的二維長方形晶體網(wǎng)格。

Transmon 原理上是由超導(dǎo)約瑟夫森效應(yīng)（Josephson effect）導(dǎo)致的非線性振蕩器，這種宏觀量子效應(yīng)使“超電流”（supercurrent）在無電壓的情況下通過弱連接的超導(dǎo)體。接下來，Transmon 最低的兩種能量級(jí)被編碼為和，作為量子比特。

每個(gè)量子比特都有兩條控制線路相連接：一條為用以驅(qū)動(dòng)和狀態(tài)的微波線路，一條為偏置磁通線路，用以調(diào)諧量子比特的震蕩頻率。同時(shí)由于芯片的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，每個(gè)量子比特都與近鄰?fù)ㄟ^可以快速開關(guān)的耦合器相連。

這些耦合器一共有 110 個(gè)，同樣由 Transmon 構(gòu)成，但其震蕩頻率相比數(shù)據(jù)用途的 Transmon 要高上數(shù)千兆赫茲并處在基態(tài)。

高保真度

除了持續(xù)增加芯片上的可用量子比特以外，提高量子邏輯門的采樣保真度對(duì)于量子計(jì)算的發(fā)展也格外重要。而這就需要對(duì)包括微波共振耦合、控制電路串?dāng)_、量子比特殘余耦合等誤差來源進(jìn)行優(yōu)化。

文中指出，通過優(yōu)化硬件架構(gòu)和使用多種共振頻段等方法，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了單比特量子門平均 99.86%，雙比特量子門平均 99.24%，讀取平均 95.23% 的高保真度。

測試方法和結(jié)果

研究團(tuán)隊(duì)選擇了隨機(jī)量子電路采樣（Random Quantum Circuit Sampling）任務(wù)用以測試 “祖沖之號(hào)”的整體性能。

經(jīng)過其中 56 個(gè)量子比特的 20 個(gè)循環(huán)的運(yùn)算，“祖沖之號(hào)”得到了需要傳統(tǒng)運(yùn)算模式下 1.65×1020 次或 2.08×1024 次浮點(diǎn)運(yùn)算才能得到的結(jié)果（實(shí)際需要的運(yùn)算次數(shù)取決于模擬量子電路的算法）。

這比 2019 年谷歌 “Sycamore” 量子處理器利用 53 個(gè)量子比特 20 個(gè)循環(huán)的運(yùn)算復(fù)雜度高出了 2 至 3 個(gè)等級(jí)，相當(dāng)于美國 Summit 超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行 8.2 年的結(jié)果。這一結(jié)果充分說明了中國科學(xué)家將 “量子霸權(quán)”提升到了全新的高度。

中國量子計(jì)算成果和目標(biāo)綜述

2019 年，谷歌通過 “Sycamore” 量子處理器首次向世界展示 “量子霸權(quán)”，成果發(fā)表在《自然》期刊上。53 個(gè)量子比特在 200 秒內(nèi)的 20 次計(jì)算循環(huán)產(chǎn)生的結(jié)果相當(dāng)于 Summit 超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行一萬年的結(jié)果。

在此之后，中國科學(xué)家們力爭上游，在量子計(jì)算領(lǐng)域取得了一系列傲人的成績。2020 年 12 月，由潘建偉教授、陸朝陽教授掛帥的研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》期刊上發(fā)文，其搭建的 76 個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī) “九章”，實(shí)現(xiàn)了在高斯玻色取樣任務(wù)上的 “量子霸權(quán)”。

作為中國第一個(gè)獲得“量子霸權(quán)”的量子處理器，“九章” 一分鐘完成的任務(wù)，“Summit”超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一億年，相當(dāng)于快了一百萬億倍，同比谷歌 “Sycamore” 量子處理器快了一百億倍。

2021 年 5 月 7 號(hào)，潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》期刊上發(fā)文，其成功研制了 62 比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了可編程的二維量子行走。

量子行走可以看成是量子領(lǐng)域的隨機(jī)行走，它描述了量子在芯片晶格間的傳播，可以用以模擬量子多體物理體系，在量子搜索算法、通用量子計(jì)算等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。

展望未來，在中科大量子物理與量子信息研究部的網(wǎng)站上，詳細(xì)記錄了量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的國際同行公認(rèn)有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：

“一、發(fā)展具備 50-100 個(gè)量子比特的高精度專用量子計(jì)算機(jī)，對(duì)于一些超級(jí)計(jì)算機(jī)無法解決的高復(fù)雜度特定問題實(shí)現(xiàn)高效求解，實(shí)現(xiàn)計(jì)算科學(xué)中 ‘量子計(jì)算優(yōu)越性’ 的里程碑?！?/p>

“二、通過對(duì)規(guī)?；囿w量子體系的精確制備、操控與探測，研制可相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，用于解決若干超級(jí)計(jì)算機(jī)無法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問題（如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等）?！?/p>

“三、通過積累在專用量子計(jì)算與模擬機(jī)的研制過程中發(fā)展起來的各種技術(shù)，提高量子比特的操縱精度使之達(dá)到能超越量子計(jì)算苛刻的容錯(cuò)閾值（》99.9%），大幅度提高可集成的量子比特?cái)?shù)目（百萬量級(jí)），實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子邏輯門，研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。”

-End-

參考：

https://arxiv.org/pdf/2106.14734.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Josephson_effect#：~：text=In%20precision%20metrology%2C%20the%20Josephson%20effect%20provides%20an，of%20a%20volt%2C%20the%20Josephson%20voltage%20standard%20.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5

http://quantum.ustc.edu.cn/web/node/917

http://quantum.ustc.edu.cn/web/node/964

https://science.sciencemag.org/content/372/6545/948

編輯：jq