66個功能量子比特！潘建偉團隊「祖沖之號」再展量子計算優越性

量子計算原理上具有強大的並行計算能力，可望通過特定算法在如密碼破譯、大數據優化、材料設計、藥物分析等一系列領域相比經典計算機實現指數級別的加速。

6 月 29 日，黨的 100 歲華誕來臨之際，由來自合肥微尺度物質科學國家研究中心、上海量子科學研究中心、中科院量子創新研究院等機構的潘建偉、朱曉波、陸朝陽、彭承志等教授和研究員合作撰寫的“Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor” 一文在 arXiv 發表了論文預印本。

圖丨“祖沖之號” 量子處理器示意圖，由兩個藍寶石芯片堆砌而成（來源：arXiv ）

論文介紹了中國由 66 個功能量子比特組成可調諧耦合結構的 “祖沖之號” 處理器，其破紀錄地展示了對於傳統計算機的 “量子霸權”（又稱量子計算優勢，“祖沖之號” 1.2 小時完成的任務，超級計算機需要至少 8 年），完成的採樣任務計算複雜度相比 2019 年的谷歌 “Sycamore” 量子處理器要高出 2-3 個數量級。

圖丨控制電路和連線示意圖。量子處理器被放置在電路板上並儲藏在低溫恆溫器中，與外界其他常溫電路相連接（來源：arXiv ）

更多的量子比特

“Sycamore” 處理器在 2019 年就已經展現了完勝傳統計算的 “量子霸權”，但更多數量的量子比特對於“迎戰”不斷迭代更新的傳統計算技術尤爲重要。

“祖沖之號”量子處理器 66 個量子比特的數量，可謂是量子計算機領域一個重要的里程碑。據文章介紹，“祖沖之號”由 66 個 Transmon 量子比特（Qubit）構成，其被排列成 11 行 6 列的二維長方形晶體網格。

Transmon 原理上是由超導約瑟夫森效應（Josephson effect）導致的非線性振盪器，這種宏觀量子效應使“超電流”（supercurrent）在無電壓的情況下通過弱連接的超導體。接下來，Transmon 最低的兩種能量級被編碼爲和，作爲量子比特。

每個量子比特都有兩條控制線路相連接：一條爲用以驅動和狀態的微波線路，一條爲偏置磁通線路，用以調諧量子比特的震盪頻率。同時由於芯片的網格結構，每個量子比特都與近鄰通過可以快速開關的耦合器相連。

這些耦合器一共有 110 個，同樣由 Transmon 構成，但其震盪頻率相比數據用途的 Transmon 要高上數千兆赫茲並處在基態。

圖丨 Transmon 量子比特示意圖，中間由耦合器相連；帶叉器件爲約瑟夫森結（來源：arXiv ）

高保真度

除了持續增加芯片上的可用量子比特以外，提高量子邏輯門的採樣保真度對於量子計算的發展也格外重要。而這就需要對包括微波共振耦合、控制電路串擾、量子比特殘餘耦合等誤差來源進行優化。

圖丨“祖沖之號”處理器單、雙比特量子門泡利誤差和讀取誤差示意圖（來源：arXiv ）

文中指出，通過優化硬件架構和使用多種共振頻段等方法，研究團隊實現了單比特量子門平均 99.86%，雙比特量子門平均 99.24%，讀取平均 95.23% 的高保真度。

測試方法和結果

研究團隊選擇了隨機量子電路採樣（Random Quantum Circuit Sampling）任務用以測試 “祖沖之號”的整體性能。

圖丨56 量子比特的隨機量子電路採樣算法（來源：arXiv ）

經過其中 56 個量子比特的 20 個循環的運算，“祖沖之號”得到了需要傳統運算模式下 1.65×1020 次或 2.08×1024 次浮點運算才能得到的結果（實際需要的運算次數取決於模擬量子電路的算法）。

這比 2019 年穀歌 “Sycamore” 量子處理器利用 53 個量子比特 20 個循環的運算複雜度高出了 2 至 3 個等級，相當於美國 Summit 超級計算機運行 8.2 年的結果。這一結果充分說明了中國科學家將 “量子霸權”提升到了全新的高度。

圖丨隨機量子電路採樣算法的保真度和量子比特數 / 循環數的關係（來源：arXiv ）

中國量子計算成果和目標綜述

2019 年，谷歌通過 “Sycamore” 量子處理器首次向世界展示 “量子霸權”，成果發表在《自然》期刊上。53 個量子比特在 200 秒內的 20 次計算循環產生的結果相當於 Summit 超級計算機運行一萬年的結果。

在此之後，中國科學家們力爭上游，在量子計算領域取得了一系列傲人的成績。2020 年 12 月，由潘建偉教授、陸朝陽教授掛帥的研究團隊在《科學》期刊上發文，其搭建的 76 個光子的量子計算原型機 “九章”，實現了在高斯玻色取樣任務上的 “量子霸權”。

圖丨 “九章” 量子計算原型機光路系統原理圖（來源：中科大量子物理與量子信息研究部）

作爲中國第一個獲得“量子霸權”的量子處理器，“九章” 一分鐘完成的任務，“Summit”超級計算機需要一億年，相當於快了一百萬億倍，同比谷歌 “Sycamore” 量子處理器快了一百億倍。

2021 年 5 月 7 號，潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊在《科學》期刊上發文，其成功研製了 62 比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”，並在此基礎上實現了可編程的二維量子行走。

量子行走可以看成是量子領域的隨機行走，它描述了量子在芯片晶格間的傳播，可以用以模擬量子多體物理體系，在量子搜索算法、通用量子計算等領域具有潛在應用。

圖丨二維超導量子比特芯片示意圖。每個橘色十字代表一個量子比特（來源：中科大量子物理與量子信息研究部）

展望未來，在中科大量子物理與量子信息研究部的網站上，詳細記錄了量子計算機領域的國際同行公認有三個指標性的發展階段：

“一、發展具備 50-100 個量子比特的高精度專用量子計算機，對於一些超級計算機無法解決的高複雜度特定問題實現高效求解，實現計算科學中 '量子計算優越性' 的里程碑。”

“二、通過對規模化多體量子體系的精確製備、操控與探測，研製可相干操縱數百個量子比特的量子模擬機，用於解決若干超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題（如量子化學、新材料設計、優化算法等）。”

“三、通過積累在專用量子計算與模擬機的研製過程中發展起來的各種技術，提高量子比特的操縱精度使之達到能超越量子計算苛刻的容錯閾值（>99.9%），大幅度提高可集成的量子比特數目（百萬量級），實現容錯量子邏輯門，研製可編程的通用量子計算原型機。”

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參考：

https://arxiv.org/pdf/2106.14734.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Josephson_effect#:~:text=In%20precision%20metrology%2C%20the%20Josephson%20effect%20provides%20an,of%20a%20volt%2C%20the%20Josephson%20voltage%20standard%20.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5

http://quantum.ustc.edu.cn/web/node/917

http://quantum.ustc.edu.cn/web/node/964

https://science.sciencemag.org/content/372/6545/948