潘建偉領銜全球最大超導量子體系“祖沖之號”問世 實現量子行走

繼“九章”量子計算機原型機發布後，我國首個可操縱的超導量子計算機體系“祖沖之號”問世。該成果將爲促進中國在超導量子系統上實現量子優越性奠定了技術基礎，也爲後續具有重大實用價值的通用量子計算的研發提供支持。

中國科學技術大學潘建偉院士團隊近日成功研製出全球超導量子比特數量最多的量子計算原型機 “祖沖之號”，宣告全球最大量子比特數的超導量子體系的誕生。這篇名爲《在可編程二維62比特量子處理器上的量子行走》的論文5月7日發表在《科學》雜誌。

量子計算機是全球科技前沿的重大挑戰之一，也是世界各國角逐的焦點。超導量子計算已成爲最具希望的候選者之一，它的核心目標是增加 “可操縱” 的量子比特數量，通過提升操縱精度來實現落地應用。

“祖沖之號” 可操縱的超導量子比特多達62個，而此前谷歌實現 “量子優越” 的“懸鈴木”53個量子比特。研究團隊在大尺度晶格上首次實現了量子行走的實驗觀測，並實現對量子行走構型的精準調控，構建了可編程的雙粒子量子行走。

量子行走是經典隨機行走的量子力學模擬，是實現量子模擬、量子搜索算法甚至通用量子計算極爲強大的工具。 研究團隊表示：“在我們的工作中，我們設計和製造了一個由62個功能性量子位比特組成的8x8二維方形超導量子位陣列。 我們使用該設備演示了高保真單粒子和兩個粒子的量子步態。 ”

由於量子處理器的高度可編程性，研究者還實現了一個被稱爲馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）的干涉儀。 “通過調整進化路徑上的障礙，我們觀察到了單行和雙行的干擾條紋。 ”研究團隊在論文中寫道，“我們的工作是該領域的重要里程碑，使未來的大規模量子應用更接近在這些嘈雜的中型量子處理器上實現。 ”

之所以命名爲 “祖沖之號”，研究團隊共同通訊作者、中國科學技術大學上海研究院教授朱曉波表示，這是爲了紀念我國傑出的數學家祖沖之。祖沖之首次將圓周率精算到小數第七位，他提出的“祖率”對數學研究有重大貢獻。

潘建偉和朱曉波、彭承志等帶頭的團隊多年來專注於研究超導量子計算，此次“祖沖之號”的最新成果是建立在12個比特超導量子芯片、24個比特的高性能超導量子處理器等成果之上。

不過上述研究仍爲科學實驗階段，僅演示了系統功能，尚未實現所謂的“量子優越”，這區別於此前谷歌的量子計算機懸鈴木。朱曉波對第一財經記者表示，目前團隊正在開展相關工作，以實現“量子優越性”。

2019年9月，美國谷歌公司推出53個量子比特的計算機“懸鈴木”，對一個數學算法的計算只需200秒，並宣稱相較於當時世界最快的超級計算機“頂峰”實現了“量子優越性”。

一位量子計算領域專家第一財經記者表示：“祖沖之號和懸鈴木都是使用了超導量子比特，但是祖沖之號執行的任務是相對簡單的，對於操縱精度等要求仍然低於懸鈴木。”

量子計算和經典計算的競爭是一個長期的動態過程。量子計算機與經典計算機的顯著差異在於，傳統的計算機存儲數據的方式是0或者1，這就好比一個開關，只有“開”和“關”兩種狀態；而量子計算機存儲數據方式是依賴量子比特，可以是介於0和1之間的任何狀態，這令其速度更快。

超導量子計算具備較好的工藝可擴展性，因此也被廣泛認爲是最有可能率先實現通用量子計算的方案之一。在原理上，量子計算機具備超快的並行計算能力，未來有望通過特定算法，提供高於傳統計算機指數級別的加速能力，並有望用於天氣預報、材料設計、密碼破譯、大數據優化、藥物分析等領域。

但業內人士人仍然表示，量子計算技術還處於極早期階段，尚不具備產業投資價值。“目前的量子技術領域，有兩個具有投資價值的成熟應用方向，一個是數據加密領域，另一個是傳感和量子的精密測量。”一位量子技術產業人士對第一財經記者表示。