在很多人印象中，運(yùn)行速度最快的肯定是超級(jí)計(jì)算機(jī)，但物理學(xué)家們正在顛覆這一歷史。
近日中國在量子計(jì)算領(lǐng)域，光量子和超導(dǎo)量子兩大量子計(jì)算系統(tǒng)再次取得重要進(jìn)展，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心聯(lián)合進(jìn)行合作，發(fā)展了量子光源受激放大的理論和實(shí)驗(yàn)方法，在光量子計(jì)算原型機(jī) “九章一號(hào)” 實(shí)現(xiàn)了基于 113 個(gè)光子的 144 個(gè)模式的量子計(jì)算和相位可編程功能，完成了高斯玻色取樣任務(wù)的快速求解。
“九章二號(hào)” 目前處理速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)還要快 10 倍，這一成果再次刷新了中國在光量子操縱的技術(shù)水平，進(jìn)一步地提供了量子計(jì)算加速的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
圖丨基于 144 模式干涉儀的“九章二號(hào)” 量子計(jì)算原型機(jī)（來源：中科大）
幾乎同時(shí)，同樣由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組與中科院上海技術(shù)物理研究所進(jìn)行合作，在 “祖沖之號(hào)” 基礎(chǔ)上構(gòu)建了新一代的 66 比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之 2.0 與 2.1”，實(shí)現(xiàn)了對量子隨機(jī)線路取樣任務(wù)的快速求解。“祖沖之 2.1” 處理速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)要快上 7 個(gè)數(shù)量級(jí)，計(jì)算復(fù)雜度比谷歌公開報(bào)道的53比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī) “懸鈴木” 提高了 6 個(gè)數(shù)量級(jí)。
基于光量子和超導(dǎo)量子比特的計(jì)算系統(tǒng)
那么這兩項(xiàng)重大成果意義如何呢？讓我們簡單回顧一下光量子計(jì)算和超導(dǎo)量子計(jì)算的原理和發(fā)展歷史。量子計(jì)算技術(shù)主要通過發(fā)展高精度、高效率的量子態(tài)制備與相互作用控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的量子比特相干操縱�；诠饬孔拥母咚共Ｉ雍突诔瑢�(dǎo)量子比特的隨機(jī)線路取樣是展示量子計(jì)算優(yōu)越性的兩個(gè)重要方案。
圖丨 “九章二號(hào)” 量子計(jì)算原型機(jī)整體裝置示意圖（來源：中科大）
在光量子計(jì)算研究中的重要步驟是高斯玻色取樣，這是一個(gè)從高度糾纏的多光子量子態(tài)定義的概率分布取樣的過程，目的是通過少量關(guān)鍵樣本來獲取整體分布的關(guān)鍵信息。
通過由特制的量子光源發(fā)出的多光子同時(shí)進(jìn)入光纖通道，在光纖通道末端則有高性能光子探測器，來準(zhǔn)確捕獲每個(gè)光子，所以整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及操作是一個(gè)極其復(fù)雜的過程。
2020 年，潘建偉團(tuán)隊(duì)就成功構(gòu)建了由 76 個(gè)光子 100 個(gè)模式下的高斯玻色取樣第一代量子計(jì)算原型機(jī) “九章”，輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)到了 10 ，實(shí)現(xiàn)高斯玻色取樣速度比超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍。
圖丨 Transmon 量子比特原理圖（來源：arXiv）
同時(shí)潘建偉團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域于 2021 年 5 月通過可編程二維量子行走構(gòu)建了當(dāng)時(shí)國際上量子比特?cái)?shù)目最多的 62 比特的超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī) “祖沖之號(hào)”。
超導(dǎo)量子超導(dǎo)計(jì)算原型機(jī)上使用的是 Transmon（Transmission Line Shunted Plasma Oscillation）量子比特, 它的原理上是使用含有超導(dǎo)約瑟夫森效應(yīng)（Josephson effect）的非線性振蕩器，這種宏觀量子效應(yīng)使超電流在無電壓的情況下可以通過弱連接的超導(dǎo)體，Transmon 最低的兩種能量級(jí)被編碼作為量子比特態(tài)。
每個(gè)量子比特態(tài)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。通過量子編程的方式，實(shí)現(xiàn)了對量子隨機(jī)線路取樣，可用于執(zhí)行任意量子算法的編程能力。
圖丨 受激雙模量子壓縮光源產(chǎn)生原理圖及高斯波色采樣原理圖（來源：arXiv）
“強(qiáng)的很” 的 “九章二號(hào)” 和 “祖沖之2.1” 問世
這一次在 2021 年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在“九章”原型機(jī)的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了一系列概念和技術(shù)的創(chuàng)新。受到激光原理中 “受激輻射光放大” 這一概念的啟發(fā)，研究人員設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了受激雙模量子壓縮光源，顯著提高了量子光源的產(chǎn)率、品質(zhì)和收集效率。
其次，通過三維集成和收集光路的緊湊設(shè)計(jì)，多光子量子干涉線路增加到了 144 個(gè)維度。由此，“九章二號(hào)” 探測到的光子數(shù)增加到了 113 個(gè)，輸出態(tài)空間維度達(dá)到了 10 。進(jìn)一步，通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)壓縮光的相位，研究人員實(shí)現(xiàn)了對高斯玻色取樣矩陣的重新配置，演示了 “九章二號(hào)” 可用于求解不同參數(shù)數(shù)學(xué)問題的編程能力。
圖丨 “祖沖之 2.1” 示意圖及高斯波色采樣原理圖及隨機(jī)線路取樣原理圖（來源，arXiv）
同樣地，潘建偉團(tuán)隊(duì)在“祖沖之號(hào)”的基礎(chǔ)上采用全新的倒裝焊 3D 封裝工藝解決了大規(guī)模比特集成的問題，研制成功“祖沖之 2.1”，實(shí)現(xiàn)了 66 個(gè)數(shù)據(jù)比特、110 個(gè)耦合比特、11 路讀取的高密度集成，最大態(tài)空間維度達(dá)到了 10 。
“祖沖之 2.0” 采用可調(diào)耦合架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了比特間耦合強(qiáng)度的快速、精確可調(diào)，顯著提高了并行量子門操作的保真度�；诔瑢�(dǎo)量子比特與光量子比特技術(shù)是國際公認(rèn)的有望實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的物理體系，量子計(jì)算機(jī)對特定問題的求解超越超級(jí)計(jì)算機(jī)即量子計(jì)算優(yōu)越性，是量子計(jì)算發(fā)展的一個(gè)重要的里程碑。而以上這些工作奠定了中國成為在光量子計(jì)算和超導(dǎo)量子計(jì)算兩大體系領(lǐng)域同時(shí)達(dá)到 “量子計(jì)算優(yōu)越性” 里程碑的唯一國家。
量子計(jì)算研究進(jìn)入全新階段
來自加拿大 Calgary 大學(xué)的著名量子物理學(xué)家 Barry Sanders 教授在受邀撰寫長篇文章評(píng)論這兩項(xiàng)重大工作時(shí)，高度稱贊了這兩項(xiàng)重大突破，并表示量子計(jì)算超過傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)（The point at which a quantum computer outperforms the best possibleclassical computer）這一點(diǎn)已經(jīng)毋庸置疑地成為現(xiàn)實(shí)。
量子計(jì)算優(yōu)越性的成功演示標(biāo)志著量子計(jì)算研究進(jìn)入到發(fā)展的全新階段，即將開始量子糾錯(cuò)和近期應(yīng)用新的探索。
例如憑借 “祖沖之二號(hào)” 采用的二維網(wǎng)格比特排布芯片架構(gòu)，直接兼容表面碼量子糾錯(cuò)算法為量子糾錯(cuò)并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算奠定了基矗
潘建偉及其團(tuán)隊(duì)主要從事量子物理和量子信息等方面的研究，同時(shí)他作為國際上量子信息實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域開拓者之一，是該領(lǐng)域有重要國際影響力的科學(xué)家，取得了一系列有重要意義的研究成果。
潘建偉表示，下一步他們團(tuán)隊(duì)希望能夠通過 4 到 5 年的努力實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)，在使用量子糾錯(cuò)的基礎(chǔ)之上，我們就可以來探索用一些專用的量子計(jì)算機(jī)或者量子模擬機(jī)來解決一些具有重大應(yīng)用價(jià)值的科學(xué)問題。
有意思的是 “九章” 的名字來源于中國公元一世紀(jì)的數(shù)學(xué)古典著作，祖沖之則是中國南北朝時(shí)間著名的數(shù)學(xué)家，兩大量子計(jì)算系統(tǒng)以這種“中國化”方式進(jìn)行命名，則體現(xiàn)了中國科研人員的科研能力自信和實(shí)現(xiàn)民族偉大復(fù)興的遠(yuǎn)大抱負(fù)。
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