3月3日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱中國科大）發(fā)布最新成果。中國科學(xué)院院士、中國科大教授潘建偉，中國科大教授朱曉波、彭承志等與上海量子科學(xué)研究中心、河南省量子信息與量子密碼重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國計(jì)量科學(xué)研究院、濟(jì)南量子技術(shù)研究院、西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院以及中國科學(xué)院理論物理研究所等單位合作，成功構(gòu)建了105比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之三號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了對“量子隨機(jī)線路采樣”任務(wù)的快速求解。3月3日，相關(guān)研究成果以封面論文的形式發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。
與現(xiàn)有最優(yōu)經(jīng)典算法相比，“祖沖之三號(hào)”處理量子隨機(jī)線路采樣問題的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一千萬億倍，超過谷歌2024年10月公開發(fā)表的最新成果——67比特超導(dǎo)量子處理器“懸鈴木”一百萬倍。
這一成果是我國繼超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”達(dá)到超導(dǎo)量子計(jì)算體系最強(qiáng)量子計(jì)算優(yōu)越性里程碑后，再一次打破超導(dǎo)體系量子計(jì)算優(yōu)越性紀(jì)錄。
《物理評(píng)論快報(bào)》審稿人認(rèn)為這一工作“構(gòu)建了目前最高水準(zhǔn)的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)”，“是對此前66比特處理器（祖沖之二號(hào)）的重大升級(jí)”。美國物理學(xué)會(huì)同期在《物理》雜志上特別刊發(fā)觀點(diǎn)論文，深入解讀并重點(diǎn)介紹了該研究的創(chuàng)新之處與重要意義。
“祖沖之三號(hào)”芯片示意圖。中國科大供圖
各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)性能大幅度提升
“祖沖之號(hào)”總師朱曉波介紹，研究團(tuán)隊(duì)在66比特“祖沖之二號(hào)”的基礎(chǔ)上，大幅提升了“祖沖之三號(hào)”的各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)：量子比特?cái)?shù)目由66個(gè)增加至105個(gè)，量子比特相干時(shí)間達(dá)到72微秒，并行單比特門保真度達(dá)到99.90%，并行兩比特門保真度達(dá)到99.62%，并行讀取保真度達(dá)到99.13%，綜合性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
“量子處理器好比一個(gè)超級(jí)大腦，量子比特就是大腦的神經(jīng)元，量子比特相干時(shí)間可以理解為神經(jīng)元能有效工作的時(shí)間。量子比特越多，量子比特退相干時(shí)間越長，大腦能夠處理的信息就越復(fù)雜、越龐大，也就能夠解決更困難的問題?！敝鞎圆ㄗ隽艘粋€(gè)形象的比喻。
而量子門的保真度可以理解為神經(jīng)元之間相互傳遞信息的正確率，量子門的保真度越高，大腦處理信息時(shí)出錯(cuò)率越低。讀取保真度則可以理解為大腦處理完信息后還需要輸出信息，讀取保真度越高，說明輸出過程中出錯(cuò)的概率就越小。
“這些關(guān)鍵指標(biāo)的提升是多方面實(shí)現(xiàn)的?！敝鞎圆ㄕf，“首先是在量子處理器的設(shè)計(jì)上做了非常多的研究及嘗試，比如優(yōu)化了量子比特和耦合器電場分布，設(shè)計(jì)并采用了三級(jí)濾波器等；其次是量子處理器的制造上，采用了新的工藝，優(yōu)化了加工流程，提高了處理器的成品率。最后是通過對量子門以及讀取錯(cuò)誤模型更加深入的理解，從而完美發(fā)揮量子處理器的性能?！?span style="display:none">XOT流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點(diǎn)LLSUM.COM
量子隨機(jī)線路采樣任務(wù)可以表征量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算過程，進(jìn)而全面評(píng)估量子計(jì)算機(jī)的整體性能。
為測試“祖沖之三號(hào)”的性能，研究團(tuán)隊(duì)在該系統(tǒng)上完成了83比特的32層的隨機(jī)線路采樣，以目前最優(yōu)經(jīng)典算法為比較標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算速度比最強(qiáng)超算快一千萬億倍，超過谷歌67比特超導(dǎo)量子處理器“懸鈴木”一百萬倍。
朱曉波表示，“祖沖之三號(hào)”成功研制的意義是多方面的。從技術(shù)層面上來看，“祖沖之三號(hào)”在量子比特?cái)?shù)目上以及測控性能上具有非常大的突破，意味著它能夠處理更復(fù)雜的量子信息和執(zhí)行更復(fù)雜的量子算法。
從科學(xué)層面上來看，“祖沖之三號(hào)”量子處理器性能的成功標(biāo)定，能夠進(jìn)一步推動(dòng)量子糾錯(cuò)的研究，以及通用量子容錯(cuò)的進(jìn)展。同時(shí)，也能助力近期應(yīng)用的研究，模擬更加復(fù)雜的量子系統(tǒng)，推動(dòng)量子化學(xué)模擬、藥物研發(fā)等領(lǐng)域的發(fā)展。
實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體系“最強(qiáng)”量子優(yōu)越性
國際學(xué)術(shù)界把量子計(jì)算的發(fā)展分為3個(gè)階段：一是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，即相干操縱50個(gè)量子比特，量子計(jì)算機(jī)對特定問題的計(jì)算能力超越最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。二是實(shí)現(xiàn)專用量子模擬機(jī)，相干操縱數(shù)百至上千個(gè)量子比特，用于解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法勝任的若干重要科學(xué)問題，如量子化學(xué)、高溫超導(dǎo)機(jī)理等。三是實(shí)現(xiàn)通用容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，在量子糾錯(cuò)的輔助下相干操縱至少上百萬量子比特，用于解決經(jīng)典密碼破解、人工智能、材料設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的計(jì)算難題。
量子計(jì)算優(yōu)越性驗(yàn)證了量子計(jì)算系統(tǒng)能夠超越傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的可行性，是量子計(jì)算具備應(yīng)用價(jià)值的前提條件。
朱曉波介紹，目前實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的量子計(jì)算機(jī)主要分為兩種體系，一種是光子體系，主要代表為“九章”，另一種是超導(dǎo)體系，主要代表為“祖沖之號(hào)”和谷歌的“懸鈴木”。兩者主要差別在于構(gòu)建量子比特的方式不同，光子體系主要用光子構(gòu)建量子比特，超導(dǎo)體系則主要用包含約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)電路構(gòu)建量子比特。兩種體系各有優(yōu)缺點(diǎn)。
實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性也是當(dāng)前一個(gè)國家量子計(jì)算研究實(shí)力的直接體現(xiàn)。在這一方面，中美是目前國際第一方陣，呈現(xiàn)交替領(lǐng)先的態(tài)勢。
2019年，谷歌率先宣稱實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性，但該成果很快被中國團(tuán)隊(duì)用更先進(jìn)的經(jīng)典算法推翻。此后，以最優(yōu)經(jīng)典算法為比較標(biāo)準(zhǔn)，國際上首個(gè)被嚴(yán)格證明的量子計(jì)算優(yōu)越性由潘建偉團(tuán)隊(duì)于2020年在“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)上實(shí)現(xiàn)；而超導(dǎo)體系首個(gè)被嚴(yán)格證明的量子計(jì)算優(yōu)越性也由該團(tuán)隊(duì)于2021年在“祖沖之二號(hào)”處理器上實(shí)現(xiàn)。2023年，潘建偉團(tuán)隊(duì)研發(fā)的255個(gè)光子的“九章三號(hào)”量子優(yōu)越性超越經(jīng)典超算一億億倍。2024年10月，谷歌發(fā)布67比特超導(dǎo)量子處理器“懸鈴木”，其量子優(yōu)越性超越經(jīng)典超算10億倍。
朱曉波介紹，“祖沖之三號(hào)”與谷歌67比特超導(dǎo)量子處理器“懸鈴木”相比，不管是量子比特?cái)?shù)目，還是性能上均有所超越，因此才能在隨機(jī)線路采樣任務(wù)的速度上超“懸鈴木”一百萬倍，為目前超導(dǎo)體系“最強(qiáng)”量子計(jì)算優(yōu)越性。
推動(dòng)量子計(jì)算從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)I(yè)化應(yīng)用
量子計(jì)算優(yōu)越性是量子計(jì)算強(qiáng)大性能的綜合體現(xiàn)，是近期應(yīng)用探索和實(shí)現(xiàn)可拓展量子糾錯(cuò)的基礎(chǔ)。
朱曉波介紹，在“祖沖之三號(hào)”取得“最強(qiáng)”量子計(jì)算優(yōu)越性的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)近期計(jì)劃是進(jìn)一步提高量子比特的數(shù)目以及性能，同時(shí)正繼續(xù)開展量子糾錯(cuò)。
目前，研究團(tuán)隊(duì)正基于“祖沖之三號(hào)”開展碼距為7的表面碼糾錯(cuò)研究，已取得良好進(jìn)展，并計(jì)劃進(jìn)一步將碼距擴(kuò)展到9和11，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子比特的集成和操縱鋪平道路。
研究團(tuán)隊(duì)遠(yuǎn)期規(guī)劃則瞄準(zhǔn)通用量子計(jì)算機(jī)的終極目標(biāo)：計(jì)劃在10至15年左右建成包含千邏輯量子比特，具有糾錯(cuò)能力的量子計(jì)算系統(tǒng)。同時(shí)構(gòu)建完整的量子計(jì)算生態(tài)體系，包括自主可控的量子操作系統(tǒng)，形成從芯片制備到應(yīng)用開發(fā)的全鏈條技術(shù)能力。并通過跨學(xué)科合作，推動(dòng)量子計(jì)算在量子化學(xué)模擬、藥物研發(fā)等更多領(lǐng)域的深度應(yīng)用，最終形成具有國際競爭力的量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)集群。
朱曉波表示，“當(dāng)前量子計(jì)算研究距離廣泛實(shí)際應(yīng)用仍存在技術(shù)瓶頸，主要挑戰(zhàn)包括如何進(jìn)一步提升量子比特的數(shù)量以及相關(guān)性能、量子糾錯(cuò)技術(shù)如何進(jìn)一步持續(xù)發(fā)展、軟件算法生態(tài)不完善以及系統(tǒng)成本高昂等。這些關(guān)鍵技術(shù)瓶頸都需要在未來重點(diǎn)突破，推動(dòng)量子計(jì)算從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)I(yè)化應(yīng)用。”
相關(guān)論文信息：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.090601
本文鏈接：我國成功研制超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之三號(hào)”http://m.lensthegame.com/show-11-18104-0.html
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