双里程碑！我国实现超导、光两种物理体系“量子计算优越性”

10月26日消息（余予）当前，以量子信息科学为代表的量子科技正在不断形成新的科学前沿、激发革命性的科技创新、孕育对人类社会产生巨大影响的颠覆性技术。

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。超导量子比特与光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。中国科大量子研究团队长期瞄准超导量子及光量子计算方面，已经取得一系列重要进展。

据报道，近日，中国科学技术大学量子创新研究院研究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。

经过研究攻关，超导量子计算研究团队构建了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； 同时，光量子计算研究团队构建了113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”，其处理特定问题的速度比超级计算机快亿亿亿倍，并增强了光量子计算原型机的编程计算能力。

超导量子计算原型机“祖冲之二号”

据了解，今年5月，中国科大中科院量子创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队在超导量子处理器的研究上取得重大突破，成功研制了62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”。同时，研究团队还基于此原型机成功进行了二维可编程量子行走的演示。

据“祖冲之号”成功研制仅过去不足半年，中国科大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，基于“祖冲之号”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，其计算复杂度较谷歌“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）。

图一：祖冲之二号量子处理器图

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。

图二：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。

光量子计算原型机“九章二号”

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。

在“九章”基础上，研究团队进行了一系列概念和技术创新。中国科大中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、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。

根据现已正式发表的最优经典算法理论，“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。

图1：九章二号整体装置图(制图：陆朝阳，彭礼超)

图2：九章二号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）

研究人员表示，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。量子优越性研究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。

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