量子计算升级!“九章二号”“祖冲之二号”问世

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“九章二号”整体装置图。

　　昨天，记者从中科院量子信息与量子科技创新研究院获悉，我国首台实现“量子计算优越性”的光量子计 算原型机“九章号”、超导量子计算原型机“祖冲之号”的升级版双双问世——

　　“九章二号”操控的光子数从76个增加到113个，多光子量子干涉线路增加到144维度。其处理特定问题的速度比超级计算机快亿亿亿倍，并实现了相位可编程功能。

　　“祖冲之二号”操控的超导比特数从62比特上升至66比特，首次达到“量子计算优越性”里程碑。其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一千万倍，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”提高了一百万倍。

　　这使我国成为目前世界上唯一在超导量子和光量子两种系统都达到“量子计算优越性”里程碑的国家。

　　“九章二号”

　　刷新国际光量子操纵技术水平

　　继去年12月“九章号”问世以来，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、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，又进行了一系列概念和技术创新。

　　“我们受激光‘受激发辐射放大’概念的启发，对量子光源进行了改进，使光子的产率较之前提升了三倍，光源关键指标也从63%提升到92%。”陆朝阳介绍，这对于“九章二号”的性能提升起到了关键作用。

　　与此同时，通过三维集成和收集光路的紧凑设计， “九章二号”的多光子量子干涉线路从之前的100维度增加到了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。

　　更值得一提的是，“九章二号”还实现了相位可编程功能。陆朝阳解释，此处的“可编程”并非传统计算机的编程，“我们可以动态调节压缩光的相位，实现对高斯玻色取样矩阵的重新配置”。

　　因此， “九章二号”可用于求解不同参数数学问题。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。也就是说，全球“最快超算”需30万亿年可算出的问题， “九章二号”只需1毫秒即可解决。

　　目前，在国际光量子计算领域，世界排名第二的加拿大量子科技公司仙乐都实现的光量子操纵数目仅为18个。中国科学家的成果再次刷新了国际上光量子操纵的技术水平。著名量子物理学家、加拿大卡尔加里大学教授巴里·桑德斯称赞该工作是“令人激动的实验杰作” “令人印象深刻的最前沿的进步”。

　　“祖冲之二号”

　　首次达到“量子计算优越性”里程碑

　　与“九章二号”相比，“祖冲之二号”的问世显得更加激动人心——这是我国首次在超导量子计算领域超越谷歌，并达到“量子计算优越性”里程碑。

　　今年5月刚刚发布的“祖冲之号”，不到半年又有了升级版。“‘祖冲之二号’的处理器芯片采用全新的倒装焊3D封装工艺，解决了大规模比特集成的问题。”中科大量子创新院教授朱晓波介绍，由潘建伟教授领衔，他与彭承志组成的研究团队，与中科院上海技术物理研究所开展合作，“这一技术的突破，使得‘祖冲之二号’性能有了质的提升”。

　　与“祖冲之号”相比，“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。朱晓波介绍，“祖冲之二号”采用了“祖冲之号”所没有的可调耦合架构，“这些耦合比特就是人类得心应手的工具，从而能够更好控制数据比特”，因此在“祖冲之二号”上，科学家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一千万倍，计算复杂度较谷歌“悬铃木”提高一百万倍。

　　朱晓波透露，目前研究团队已在进行更复杂的实验，以期不断刷新纪录，“五年之后，希望可以验证‘有纠错保护的量子比特’，最终走向通用容错的量子计算”。

　　量子计算竞争

　　“量子纠错”将是下一个堡垒

　　“这一领域还将会有很大提升空间。我们希望，这些工作能继续激发更多经典算法模拟方面的工作。”研究团队领衔者、中科院院士、中科大常务副校长潘建伟表示，量子优越性研究不会一蹴而就，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。

　　近年来，谷歌、IBM等公司纷纷对外宣称成功开发出了超过50量子比特的量子计算原型机，但实现量子计算的关键参数不仅仅是量子比特数量，还有系统的保真度。随着量子比特数量和循环次数的增加，保真度会急剧下降，错误率会相应上升。

　　潘建伟表示，接下来，团队希望通过四至五年的努力实现量子纠错，“在使用量子纠错的基础上，我们可以探索利用一些专用量子计算机或者量子模拟机的强大算力，解决一些具有重大应用价值的科学问题”。

来源：中国科学院