原標(biāo)題：“九章”“祖沖之”雙升級 量子計(jì)算的未來來了嗎

來源：科技日報(bào)

超導(dǎo)量子計(jì)算作為一種固態(tài)量子計(jì)算方案具有可擴(kuò)展性好、量子比特相干時(shí)間長、操作速度快、保真度高、加工工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)；而光學(xué)體系具有光子易于操縱、退相干很小、室溫下運(yùn)行以及可用于長距離通信等優(yōu)點(diǎn)，因此它們都是量子信息領(lǐng)域備受關(guān)注的物理實(shí)現(xiàn)平臺。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(以下簡稱中科大)潘建偉團(tuán)隊(duì)研制出66比特的可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之2.0”，在隨機(jī)線路采樣任務(wù)上實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性，所完成任務(wù)的難度比2019年谷歌“懸鈴木”高2—3個數(shù)量級。

與此同時(shí)，潘建偉團(tuán)隊(duì)升級版“九章2.0”極大地提高了量子優(yōu)勢：對于高斯玻色采樣問題，1年前的“九章”一分鐘可以完成的任務(wù)，世界上最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)需要花費(fèi)億年時(shí)間；而“九章2.0”一分鐘完成的任務(wù)，超級計(jì)算機(jī)花費(fèi)的時(shí)間要再增加百億倍。并且“九章2.0”還具有了部分可編程的能力。

“九章2.0”和“祖沖之2.0”的出現(xiàn)，使我國成為唯一在兩個物理體系中實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的國家。

實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的主賽道

量子計(jì)算強(qiáng)大的計(jì)算能力將給人類社會帶來顛覆性的改變。然而，量子態(tài)脆弱而敏感，極易受到周圍環(huán)境噪聲的影響，在實(shí)際的物理體系中建造一臺量子比特?cái)?shù)足夠多、操控保真度足夠高的量子計(jì)算機(jī)要面臨極大挑戰(zhàn)。

2012年，加州理工學(xué)院教授、物理學(xué)家約翰·裴士基(John Preskill)提出，在達(dá)成通用量子計(jì)算這一長遠(yuǎn)目標(biāo)之前，應(yīng)該再設(shè)立兩個階段性的里程碑，其中第一個就是量子計(jì)算優(yōu)越性。

最初科學(xué)家們用來展示量子計(jì)算優(yōu)越性的特定任務(wù)，一定是精心設(shè)計(jì)、非常適合量子計(jì)算設(shè)備發(fā)揮其計(jì)算潛力的任務(wù)。這個任務(wù)不一定有實(shí)際價(jià)值，而主要用來證實(shí)量子計(jì)算的巨大潛力，同時(shí)在技術(shù)和理論上，能夠?yàn)橹蟮陌l(fā)展鋪設(shè)道路。

科學(xué)家們正基于多種物理體系和途徑，利用不同體系的特性和優(yōu)勢來開展量子計(jì)算研究。其中，超導(dǎo)量子計(jì)算作為一種固態(tài)量子計(jì)算方案具有可擴(kuò)展性好、量子比特相干時(shí)間長、操作速度快、保真度高、加工工藝成熟等眾多優(yōu)點(diǎn)；而光學(xué)體系具有光子易于操縱、退相干很小、室溫下運(yùn)行以及可用于長距離通信等優(yōu)點(diǎn)，因此它們都是量子信息領(lǐng)域備受關(guān)注的物理實(shí)現(xiàn)平臺。

目前階段，最可能用以演示量子計(jì)算優(yōu)越性的問題包括隨機(jī)量子線路采樣、玻色采樣、IQP線路等。其中，隨機(jī)線路采樣任務(wù)則非常適合在二維結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)量子計(jì)算芯片上完成。

玻色采樣及其“變體”高斯玻色采樣任務(wù)，特別適合于光學(xué)體系。事實(shí)上，玻色采樣實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)極富挑戰(zhàn)性的任務(wù)，對光子源、光學(xué)干涉儀、單光子探測器都提出了苛刻的要求。

幾大突破讓量子計(jì)算更快更強(qiáng)

“‘九章2.0’在計(jì)算規(guī)模和復(fù)雜度上都較‘九章’有了顯著提升，極大地提高了之前的量子優(yōu)勢。”中科大陸朝陽教授說，與“九章”相比，“九章2.0”重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了三大突破。

首先，“九章”的總系統(tǒng)效率偏低，約為30%，其中一個主要損耗來自光源。受到激光原理的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了受激壓縮光源，可得到同時(shí)滿足高壓縮量、高純度和高收集效率的壓縮光源。

其次，高斯玻色采樣在許多領(lǐng)域有著潛在的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可運(yùn)用于量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、圖優(yōu)化、制備量子糾錯碼等領(lǐng)域。但在當(dāng)前的技術(shù)條件下，制備可編程、低損耗、足夠大規(guī)模的光學(xué)干涉儀，還存在巨大的挑戰(zhàn)。在高斯玻色采樣問題上，執(zhí)行運(yùn)算的變換矩陣不僅與干涉儀有關(guān)，還與壓縮光的壓縮參數(shù)、相位有關(guān)。通過控制光源相位，“九章2.0”具備了部分可編程能力。相位可調(diào)的高斯玻色采樣已經(jīng)具備了一定的潛在應(yīng)用能力，如果以后能再實(shí)現(xiàn)干涉儀可調(diào)，那么將在很多實(shí)際領(lǐng)域有用武之地。另外，“九章2.0”的干涉儀規(guī)模也從之前的100模式提升到了144模式。

最終，“九章2.0”實(shí)現(xiàn)了113光子、144模式的部分可編程高斯玻色采樣，將在高斯玻色采樣問題上的量子優(yōu)越性，從經(jīng)典超算“太湖之光”的1014倍大幅提高到1024倍。同時(shí)，“九章2.0”輸出狀態(tài)空間的維數(shù)達(dá)到了1043量級，這使問題的復(fù)雜度大大提升，更加難以被新的經(jīng)典算法模擬。

在超導(dǎo)量子體系中，構(gòu)建大規(guī)模的量子比特陣列，并實(shí)現(xiàn)對每一個量子比特極高精度的相干操縱極其困難。

“祖沖之2.0”通過對其上56個量子比特進(jìn)行精微調(diào)控，在隨機(jī)線路采樣任務(wù)上實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性。這是目前公開發(fā)表的最大量子比特?cái)?shù)的超導(dǎo)量子體系，高于此前“祖沖之”的62量子比特和2019年谷歌“懸鈴木”的53量子比特。其重要升級首先是引入可調(diào)耦合器，使得處理器的單比特門保真度和兩比特門保真度得到極大提升；其次采用倒裝焊封裝技術(shù)，解決二維排布量子芯片上的布線問題，極大減小信號串?dāng)_。

經(jīng)過升級，整個處理器的綜合計(jì)算性能達(dá)到展示量子優(yōu)越性的門檻。T1壽命是衡量量子比特退相干的一個重要指標(biāo)，更長的T1壽命意味著可以對量子比特進(jìn)行更多的相干操作，完成更復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。“祖沖之2.0”芯片上的所有組件都能正常工作，66個比特的平均T1壽命達(dá)到31微秒，高于“懸鈴木”的16微秒。

五個候選方案正在競爭

圍繞量子計(jì)算的一大熱點(diǎn)問題，是哪種技術(shù)路徑將最終贏得比賽。目前，主要有五個經(jīng)過充分論證的候選方案正在競爭：超導(dǎo)、離子阱、光量子、半導(dǎo)體量子點(diǎn)和冷原子。所有這些方案都是在20世紀(jì)90年代開創(chuàng)性的物理實(shí)驗(yàn)和實(shí)現(xiàn)中開發(fā)提出的。

超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)方案是目前國際上進(jìn)展最快的方案，擁有最多的技術(shù)追隨者，IBM和谷歌憑借其深厚的技術(shù)積累和雄厚的資金實(shí)力在該領(lǐng)域發(fā)展迅猛。與國外相比，中國在量子計(jì)算各路線的進(jìn)展中，超導(dǎo)量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)雖然起步較晚，但表現(xiàn)強(qiáng)勢。長遠(yuǎn)來看，該條技術(shù)路線在未來較易實(shí)現(xiàn)規(guī)模化。

離子阱技術(shù)路線的優(yōu)勢在于相干性好，可糾纏量子比特?cái)?shù)目多，邏輯門保真度高。離子阱系統(tǒng)是美國政府資助最多的兩個量子計(jì)算研究方向之一，另一個是超導(dǎo)系統(tǒng)。除量子計(jì)算機(jī)以外，其還被廣泛應(yīng)用于量子化學(xué)、相對論量子力學(xué)、量子熱力學(xué)等領(lǐng)域的量子模擬研究。離子阱量子計(jì)算至今已發(fā)展20余年，與超導(dǎo)量子計(jì)算的發(fā)展旗鼓相當(dāng)。國際上，霍尼韋爾、IonQ和AQT在離子阱量子計(jì)算機(jī)的商業(yè)化方面進(jìn)展較快。但國內(nèi)對于離子阱量子計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究只有不到十年的時(shí)間。

我國在光量子計(jì)算的研究中處于國際領(lǐng)先水平。光量子是除超導(dǎo)量子和離子阱之外研究進(jìn)展較快的技術(shù)路線，國際上，Xanadu和PsiQuantum是兩家發(fā)展較好的光量子計(jì)算機(jī)研制廠商。

由于半導(dǎo)體量子點(diǎn)計(jì)算機(jī)結(jié)合了當(dāng)前的半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)，未來可以快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，同時(shí)由于半導(dǎo)體量子比特體積較小，較超導(dǎo)技術(shù)路線和光量子技術(shù)路線而言更容易實(shí)現(xiàn)芯片化。但當(dāng)前半導(dǎo)體量子比特的數(shù)量較少，且相干性較弱。國際上，美國英特爾、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)和Qutech、澳大利亞SQC公司、日本理化學(xué)研究所(RIKEN)從事硅自旋量子比特方面的研發(fā)。

值得欣喜的是，中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在硅基半導(dǎo)體鍺納米線量子芯片研究中取得了重要進(jìn)展。由該團(tuán)隊(duì)郭國平教授領(lǐng)銜的本源量子公司已推出第二代硅基自旋二比特量子芯片——玄微XWS2-200。

冷原子技術(shù)路線在進(jìn)行量子模擬方面具有明顯優(yōu)勢。國際上，法國的PASQA研究團(tuán)隊(duì)在2011年就開始建造由中性原子陣列制成的可編程量子模擬器。雖然我國在這一方面有所布局，但整體上參與的單位較少，研究時(shí)間也較短。

理論研究證明，針對一些任務(wù)，量子計(jì)算能比經(jīng)典算法更快速、有效地完成任務(wù)。目前物理學(xué)界普遍的共識是，量子計(jì)算機(jī)不可能完全取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，但在某些有特定難度的問題上將會取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

本報(bào)記者 吳長鋒

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[責(zé)任編輯：楊凡、崔中連]

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