10月26日消息（余予）當前，以量子信息科學為代表的量子科技正在不斷形成新的科學前沿、激發(fā)革命性的科技創(chuàng)新、孕育對人類社會產生巨大影響的顛覆性技術。
量子計算機對特定問題的求解超越超級計算機，即量子計算優(yōu)越性，是量子計算發(fā)展的第一個里程碑，達到該里程碑需要相干操縱50個以上量子比特。超導量子比特與光量子比特是國際公認的有望實現(xiàn)可擴展量子計算的物理體系。中國科大量子研究團隊長期瞄準超導量子及光量子計算方面，已經取得一系列重要進展。
據報道，近日，中國科學技術大學量子創(chuàng)新研究院研究團隊在超導量子和光量子兩種系統(tǒng)的量子計算方面取得重要進展，使我國成為目前世界上唯一在兩種物理體系達到“量子計算優(yōu)越性”里程碑的國家。
經過研究攻關，超導量子計算研究團隊構建了66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”，實現(xiàn)了對“量子隨機線路取樣”任務的快速求解； 同時，光量子計算研究團隊構建了113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”，其處理特定問題的速度比超級計算機快億億億倍，并增強了光量子計算原型機的編程計算能力。
超導量子計算原型機“祖沖之二號”
據了解，今年5月，中國科大中科院量子創(chuàng)新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊在超導量子處理器的研究上取得重大突破，成功研制了62比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”。同時，研究團隊還基于此原型機成功進行了二維可編程量子行走的演示。
據“祖沖之號”成功研制僅過去不足半年，中國科大中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊與中科院上海技術物理研究所合作，基于“祖沖之號”構建了66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”，實現(xiàn)了對“量子隨機線路取樣”任務的快速求解。
根據目前已公開的最優(yōu)化經典算法，“祖沖之二號”處理量子隨機線路取樣問題的速度比目前最快的超級計算機快7個數(shù)量級，其計算復雜度較谷歌“懸鈴木”提高了6個數(shù)量級。（“懸鈴木”處理“量子隨機線路取樣”問題比經典超算快2個數(shù)量級）。
圖一：祖沖之二號量子處理器圖
量子計算優(yōu)越性的成功演示標志著量子計算研究進入到發(fā)展的第二階段，開始量子糾錯和近期應用的探索。
“祖沖之二號”采用二維網格比特排布芯片架構，直接兼容表面碼量子糾錯算法，為量子糾錯并進一步實現(xiàn)通用量子計算奠定了基礎。同時，“祖沖之二號”的并行高保真度量子門操控能力和完全可編程能力，有望在特定領域找到有實用價值的應用，預期應用包括量子機器學習、量子化學、量子近似優(yōu)化等。
圖二：量子隨機線路取樣保真度隨線路深度的變化及目前最快的超級計算機“富岳”完成相同任務需要的時間。
光量子計算原型機“九章二號”
2020年，潘建偉團隊成功構建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”，輸出量子態(tài)空間規(guī)模達到了1030，處理高斯玻色取樣的速度比超級計算機快一百萬億倍，同時克服了谷歌基于“懸鈴木”超導處理器的隨機線路取樣實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。
在“九章”基礎上，研究團隊進行了一系列概念和技術創(chuàng)新。中國科大中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，發(fā)展了量子光源受激放大的理論和實驗方法，構建了113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”，并實現(xiàn)了相位可編程功能，完成了對用于演示“量子計算優(yōu)越性”的高斯玻色取樣任務的快速求解。
根據現(xiàn)已正式發(fā)表的最優(yōu)經典算法理論，“九章二號”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快1024倍。這一成果再次刷新了國際上光量子操縱的技術水平，進一步提供了量子計算加速的實驗證據。
圖1：九章二號整體裝置圖(制圖：陸朝陽，彭禮超)
圖2：九章二號144模式干涉儀（部分）實驗照片(攝影：馬瀟漢，楊建瑞，李豐，鄧宇皓）
研究人員表示，希望這個工作能夠繼續(xù)激發(fā)更多的經典算法模擬方面的工作，也預計將來會有提升的空間。量子優(yōu)越性研究并不是一個一蹴而就的工作，而是更快的經典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭，但最終量子并行性會產生經典計算機無法企及的算力。
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