全球最大超導(dǎo)量子體系 “祖沖之號(hào)”問世 實(shí)現(xiàn)量子行走

　　[ 量子計(jì)算機(jī)是全球科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一，也是世界各國角逐的焦點(diǎn)。超導(dǎo)量子計(jì)算已成為最具希望的候選者之一，它的核心目標(biāo)是增加 “可操縱” 的量子比特?cái)?shù)量，通過提升操縱精度來實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用。 ]

　　繼“九章”量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)發(fā)布后，我國首個(gè)可操縱的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)體系“祖沖之號(hào)”問世。該成果將為促進(jìn)中國在超導(dǎo)量子系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性奠定技術(shù)基礎(chǔ)，也為后續(xù)具有重大實(shí)用價(jià)值的通用量子計(jì)算的研發(fā)提供支持。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)近日成功研制出全球超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)量最多的量子計(jì)算原型機(jī) “祖沖之號(hào)”，宣告全球最大量子比特?cái)?shù)的超導(dǎo)量子體系的誕生。這篇名為《在可編程二維62比特量子處理器上的量子行走》的論文5月7日發(fā)表在《科學(xué)》雜志。

　　量子計(jì)算機(jī)是全球科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一，也是世界各國角逐的焦點(diǎn)。超導(dǎo)量子計(jì)算已成為最具希望的候選者之一，它的核心目標(biāo)是增加 “可操縱” 的量子比特?cái)?shù)量，通過提升操縱精度來實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用。

　　“祖沖之號(hào)” 可操縱的超導(dǎo)量子比特多達(dá)62個(gè)，而此前谷歌實(shí)現(xiàn) “量子優(yōu)越” 的“懸鈴木”只有53個(gè)量子比特。研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了量子行走的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)量子行走構(gòu)型的精準(zhǔn)調(diào)控，構(gòu)建了可編程的雙粒子量子行走。

　　量子行走是經(jīng)典隨機(jī)行走的量子力學(xué)模擬，是實(shí)現(xiàn)量子模擬、量子搜索算法甚至通用量子計(jì)算極為強(qiáng)大的工具。研究團(tuán)隊(duì)表示：“在我們的工作中，我們?cè)O(shè)計(jì)和制造了一個(gè)由62個(gè)功能性量子位比特組成的8×8二維方形超導(dǎo)量子位陣列。我們使用該設(shè)備演示了高保真單粒子和兩個(gè)粒子的量子步態(tài)�！�

　　由于量子處理器的高度可編程性，研究者還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)被稱為馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）的干涉儀�！巴ㄟ^調(diào)整進(jìn)化路徑上的障礙，我們觀察到了單行和雙行的干擾條紋�！毖芯繄F(tuán)隊(duì)在論文中寫道，“我們的工作是該領(lǐng)域的重要里程碑，使未來的大規(guī)模量子應(yīng)用更接近在這些嘈雜的中型量子處理器上實(shí)現(xiàn)�！�

　　之所以命名為 “祖沖之號(hào)”，研究團(tuán)隊(duì)共同通訊作者、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院教授朱曉波表示，這是為了紀(jì)念我國杰出的數(shù)學(xué)家祖沖之。祖沖之首次將圓周率精算到小數(shù)第七位，他提出的“祖率”對(duì)數(shù)學(xué)研究有重大貢獻(xiàn)。

　　潘建偉和朱曉波、彭承志等帶頭的團(tuán)隊(duì)多年來專注于研究超導(dǎo)量子計(jì)算，此次“祖沖之號(hào)”的最新成果是建立在12個(gè)比特超導(dǎo)量子芯片、24個(gè)比特的高性能超導(dǎo)量子處理器等成果之上。

　　不過上述研究仍為科學(xué)實(shí)驗(yàn)階段，僅演示了系統(tǒng)功能，尚未實(shí)現(xiàn)所謂的“量子優(yōu)越”，這區(qū)別于此前谷歌的量子計(jì)算機(jī)“懸鈴木”。朱曉波對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示，目前團(tuán)隊(duì)正在開展相關(guān)工作，以實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。

　　2019年9月，美國谷歌公司推出53個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)“懸鈴木”，對(duì)一個(gè)數(shù)學(xué)算法的計(jì)算只需200秒，并宣稱相較于當(dāng)時(shí)世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂峰”實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。

　　一位量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示：“‘祖沖之號(hào)’和‘懸鈴木’都是使用了超導(dǎo)量子比特，但是‘祖沖之號(hào)’執(zhí)行的任務(wù)是相對(duì)簡(jiǎn)單的，對(duì)于操縱精度等要求仍然低于‘懸鈴木’。”

　　量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算的競(jìng)爭(zhēng)是一個(gè)長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)過程。量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的顯著差異在于，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式是0或者1，這就好比一個(gè)開關(guān)，只有“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)；而量子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)方式是依賴量子比特，可以是介于0和1之間的任何狀態(tài)，這令其速度更快。

　　超導(dǎo)量子計(jì)算具備較好的工藝可擴(kuò)展性，因此也被廣泛認(rèn)為是最有可能率先實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的方案之一。在原理上，量子計(jì)算機(jī)具備超快的并行計(jì)算能力，未來有望通過特定算法，提供高于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)指數(shù)級(jí)別的加速能力，并有望用于天氣預(yù)報(bào)、材料設(shè)計(jì)、密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、藥物分析等領(lǐng)域。

　　但業(yè)內(nèi)人士人仍然表示，量子計(jì)算技術(shù)還處于極早期階段，尚不具備產(chǎn)業(yè)投資價(jià)值�！澳壳暗牧孔蛹夹g(shù)領(lǐng)域，有兩個(gè)具有投資價(jià)值的成熟應(yīng)用方向，一個(gè)是數(shù)據(jù)加密領(lǐng)域，另一個(gè)是傳感和量子的精密測(cè)量。”一位量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)人士對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示。