Science |第7篇正刊！中科大潘建偉團隊造出62比特量子計算原型機
TOP前言
“TOP大學來了”小編按，5月8日，中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、彭承志團隊在全球頂級科研期刊《Science》雜誌發表了題爲“Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor”的文章，研究團隊成功研製了目前國際上超導量子比特數量最多的量子計算原型機“祖沖之號”，操縱的超導量子比特達到62個，並在此基礎上實現了可編程的二維量子行走。“TOP數據庫”顯示，這是中國科學技術大學2021年度的第7篇正刊。文章信息顯示，潘建偉、朱曉波爲文章通訊作者。
“TOP大學來了”小編按，5月8日，中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉團隊成功研製62比特量子計算原型機“祖沖之號”，相關成果發佈在在全球頂級科研期刊《Science》雜誌上。該團隊自主研製二維結構超導量子比特芯片的基礎上，成功構建了國際上超導量子比特數目最多、包含62個比特的可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”，並在該系統上成功進行了二維可編程量子行走的演示。（點擊閱讀：中科大VS浙大！2021年Nature/Science正刊誰發的最多？）
根據“TOP大學來了”小編的統計，2021年以來中國科學技術大學以第一單位在全球頂級學術期刊《Nature》/《Science》的數量已經達到驚人的7篇，要知道，這纔是5月份。2020年中科大以第一單位發表的正刊數量是8篇，其中，潘建偉院士團隊在2020年度發表了5篇，水平頂尖。“TOP小編”預估，中科大今年的正刊數量或許不會低於10篇。（點擊閱讀：發了那麼多文章都不是一作？國內高校2020年Nature&Science發文統計）
中科大2021年正刊論文速覽（截止5月9日）
“TOP大學來了”小編按，5月8日，中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、彭承志團隊在全球頂級科研期刊《Science》雜誌發表了題爲“Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor”的文章。研究團隊在二維結構的超導量子比特芯片上，觀察了單粒子及雙粒子激發情形下的量子行走現象，實驗研究了二維平面上量子信息傳播速度，同時通過調製量子比特連接的拓撲結構的方式構建馬赫-曾德爾干涉儀，實現了可編程的雙粒子量子行走。
該成果爲在超導量子系統上實現量子優越性展示及可解決具有重大實用價值問題的量子計算研究奠定了技術基礎。此外，基於“祖沖之號”量子計算原型機的二維可編程量子行走在量子搜索算法、通用量子計算等領域具有潛在應用，將是後續發展的重要方向。
“TOP大學來了”小編按，4月9日，中國科學技術大學潘建偉、陳帥和北京大學劉雄軍在全球頂級科研期刊《Science》雜誌發表了題爲“Realization of an ideal Weyl semimetal band in a quantum gas with 3D spin-orbit coupling”的文章，該研究通過對超冷原子進行3D自旋軌道耦合工程實現的IWSM波段的實驗。通過平衡狀態下的虛擬切片成像技術可以清楚地測量拓撲Weyl點，並在淬滅動力學中進一步解析。IWSM波段的實現爲研究固體中難以接近的各種奇異現象開闢了一條途徑。“TOP數據庫”顯示，這是中國科學技術大學2021年度的第6篇正刊。潘建偉、陳帥、劉雄軍爲文章通訊作者。
“TOP大學來了”小編按，3月27日，中國科學技術大學田志剛教授、彭慧教授、孫汭教授教授課團隊與法國馬賽大學EricVivier教授團隊（四人共同通訊作者）合作在全球頂級科研期刊《科學》（Science）雜誌發表了題爲“Liver type 1 innate lymphoid cells develop locally via an interferon-γ–dependent loop”的文章，該研究發現成年肝臟造血前體細胞向1型天然淋巴細胞（肝臟ILC1，即肝臟定居NK細胞）的分化潛能及調控機制，揭示天然淋巴細胞的骨髓外發育新路徑。據“TOP數據庫”檢索發現，這是中國科大2021年第5篇Nature/Science正刊。
“TOP大學來了”小編按，3月5日，中國科學技術大學汪義豐教授課團隊與加州大學洛杉磯分校K. N. Houk教授合作在全球頂級科研期刊《科學》（Science）雜誌發表了題爲“Sequential C–F bond functionalizations of trifluoroacetamides and acetates via spin-center shifts”的文章，汪義豐教授團隊利用自旋中心轉移（Spin-center shift）機理，從廉價易得的三氟乙酸衍生物出發合成出用途廣泛的雙氟化物和單氟化物，開發了一種製備含氟有機化合物的新途徑。據“TOP數據庫”檢索發現，這是中國科大2021年第四篇Nature/Science正刊。
“TOP大學來了”小編按，2月26日，中國科學技術大學王興安教授課團隊與中國科學院大連化學物理研究所孫志剛研究員和楊學明院士團隊合作在全球頂級科研期刊《科學》（Science）雜誌發表了題爲“Quantum interference between spin-orbit split partial waves in the F + HD → HF + D reaction”的文章，他們發現了化學反應中自旋軌道分波的量子干涉現象，揭示了自旋軌道相互作用影響化學反應的全新動力學模式。據“TOP數據庫”檢索發現，這是中國科大2021年第3篇Nature/Science正刊。
“TOP大學來了”小編按，2月19日，中國科學技術大學單分子科學團隊侯建國、王兵和譚世倞等團隊合作在全球頂級科研期刊《科學》（Science）雜誌發表了題爲“在單化學鍵精度上確定表面分子體系的結構與化學特異性（Determining structural and chemical heterogeneities of surface species at the single-bond limit）”的文章，研究院對實現了對單分子在電、力、光等外場作用下不同內稟參量響應的精密測量，在單化學鍵精度上實現了單分子多重特異性的綜合表徵。據“TOP數據庫”檢索發現，這是中國科大2021年第2篇Nature/Science正刊。
“TOP大學來了”小編按，1月7日，中國科學技術大學潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志等與中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、濟南量子技術研究院及中國有線電視網絡有限公司合作在國際學術期刊《Nature》雜誌上發表了題爲“跨越4600公里的天地一體化量子通信網絡”（An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres）的論文。
研究團隊在量子保密通信京滬幹線與“墨子號”量子衛星成功對接的基礎上，構建了世界上首個集成700多條地面光纖量子密鑰分發(QKD)鏈路和兩個星地自由空間高速QKD鏈路的廣域量子通信網絡，實現了地面跨度4600公里的星地一體的大範圍、多用戶量子密鑰分發，並進行了長達兩年多的穩定性和安全性測試、標準化研究以及政務金融電力等不同領域的應用示範。論文是對上述成果的一個系統性總結，證明了廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已初步成熟。我國科研人員通過構建天地一體化廣域量子保密通信網絡的雛形，爲未來實現覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了科學與技術基礎。
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超車量子計算機！中國破冰62比特量子計算原型機，全球比特數最高
摩爾定律規定：芯片的性能與芯片本身所包含的晶體管數量成正比，在此定律下，芯片廠商都會通過增加晶體管數量來提升芯片性能。科學永無止境，眼下硅芯片規格的有限性，很難滿足未來智能設備對大數據傳輸的要求，摩爾定律也處在失效的邊緣。在此背景下，許多國家都將目光放在了可發展性更高的“量子領域”。
我是柏柏說科技，90後科技愛好者。今天帶大家瞭解的是：中國科技大學量子信息與量子科技創新研究院推出的，62比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”。
2021年5月7日，中科大信息研究院在國際學術期刊《科學》上，公佈了自己在量子計算機領域中的新突破。即62比特可編程超導量子計算機研製成功，且在既有超導量子計算機的基礎上實現了可編程的二維量子行走。簡單科普一下量子計算機是什麼。
量子計算機是負責數據處理、信息傳輸的可見物質載體。與傳統的硅基芯片計算機不同，量子計算機在數據處理上採用的是量子算法，是通過量子力學規律來實現數學與邏輯運算。由於擺脫了傳統硅基芯片的限制，對比傳統的“硅”計算機，量子計算機在運算效率，大數據處理能力中遠勝於傳統的計算機。
雖說我們在傳統的硅基半導體領域中，技術比較落後，但在量子領域中，我們國家一直處在世界前沿水平。在潘建偉、朱曉波、彭承志等中國科學家們的長期努力下，我們在量子計算領域中接連破冰。
2019年，中科大團隊成功打破業界創造的10個超導量子比特糾纏的記錄，實現了12個量子比特糾纏設備的突破，且在一維鏈結構12比特超導量子芯片的加持下，數據信息保真度高達70%。
此外，中科大在量子領域中開創性地將“超導量子比特”應用到“量子行走”的研究中。該突破在給我國發展多體模擬、量子通道奠定基礎的同時，也給世界量子領域帶來了借鑑和經驗。
隨後，中科大團隊一鼓作氣，將芯片結構從一維延伸到準二維。在固態量子計算系統中，成功打破20比特高精度量子技術的瓶頸，研製出具有24個比特的高精度超導量子處理器。
到了2021年，中科大團隊不斷突破自我，在自研二維結構超導量子比特處理器的基礎上，成功演示了二維可編程量子的行走。據悉，中國科技大學信息研究院推出的62比特超算“祖沖之號”，是當前比特數最高的量子計算機。換句話說：“祖沖之號”在目前的量子計算機領域中，位於世界前沿水準，甚至領先。
在美國高強度打壓我國半導體發展的背景下，中科大團隊成功研製出62比特可編程超導量子計算原型機，進一步證明了未來量子設備代替硅晶半導體設備的可行性。爲了解決芯片卡脖子的問題，目前我們正在積極探索替代傳統硅基芯片的其他方法。
例如西湖大學的冰刻機、中科院的石墨烯碳基芯片、武漢弘芯、本文所講的量子計算機和量子處理器。簡單科普一下量子芯片，不同於傳統的硅基芯片，量子芯片是將量子線路集中在基片上，採用量子集成的芯片，在信息處理能力與數據傳輸效率方面，都遠勝於傳統的晶體管集成硅片。因此量子處理器對於芯片製程代工的門檻難度也會降低很多。
看到這裡，可能有些朋友會好奇，我們的量子技術這麼高，光刻機還重要嗎？量子計算機這麼厲害，爲什麼現實生活中見不到量子計算機的身影呢？答：光刻機依舊很重要。至於現實生活中見不到量子計算機的原因，成本和技術決定了目前量子計算機與我們的個人生活無緣。
雖說我們在量子領域中的造詣很高，但目前的半導體市場，硅基芯片纔是主流趨勢。而且至少在未來的10年、20年裡，硅基半導體仍會佔據主導地位。這是因爲與石墨烯、量子芯片相比，硅基芯片已經有了很長時間的歷史，技術十分成熟。另一方面則需要考慮到研發資金與上市成本。
當然，在未來，量子半導體、石墨烯碳基芯片亦或是其它新型材料終究會代替傳統的硅基半導體。至於什麼時候替代，將由時間說了算。目前我們在光刻機領域中獲得了很多突破，芯片自主化製程已經達到了28納米的水準。滴水穿石，只要堅持下去，美國針對我國半導體發展設立的壁壘，終究會被我們逐個突破。
對於中國科技大學打破技術瓶頸推出的“62比特可編程超導量子計算原型機”，大夥有什麼想說的呢？你認爲我們能否依仗量子學，在半導體領域實現“變道超車”呢？歡迎在下方留言評論。我是柏柏說科技，90後科技愛好者。關注我，帶你瞭解更多資訊，學習更多知識。