比超快還要快億億億倍的突破,中國在量子計算領域的新突破。


近日中國在量子計算領域,光量子和超導量子兩大量子計算系統再次取得重要進展,由中國科學技術大學中科院量子資訊與量子科技創新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等與中科院上海微系統所、國家平行計算機工程技術研究中心聯合進行合作,發展了量子光源受激放大的理論和實驗方法,在光量子計算原型機 “九章一號” 實現了基於 113 個光子的 144 個模式的量子計算和相位可程式設計功能,完成了高斯玻色取樣任務的快速求解。

“九章二號” 目前處理速度比目前最快的超級計算機還要快 10²⁴ 倍,這一成果再次重新整理了中國在光量子操縱的技術水平,進一步地提供了量子計算加速的實驗證據。


幾乎同時,同樣由中國科學技術大學中科院量子資訊與量子科技創新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組與中科院上海技術物理研究所進行合作,在 “祖沖之號” 基礎上構建了新一代的 66 位元可程式設計超導量子計算原型機“祖沖之 2.0 與 2.1”,實現了對量子隨機線路取樣任務的快速求解。“祖沖之 2.1” 處理速度比目前最快的超級計算機要快上 7 個數量級,計算複雜度比谷歌公開報道的53位元超導量子計算原型機 “懸鈴木” 提高了 6 個數量級。

基於光量子和超導量子位元的計算系統

那麼這兩項重大成果意義如何呢?讓我們簡單回顧一下光量子計算和超導量子計算的原理和發展歷史。量子計算技術主要通過發展高精度、高效率的量子態製備與相互作用控制技術,實現規模化的量子位元相干操縱。基於光量子的高斯玻色取樣和基於超導量子位元的隨機線路取樣是展示量子計算優越性的兩個重要方案。


在光量子計算研究中的重要步驟是高斯玻色取樣,這是一個從高度糾纏的多光子量子態定義的概率分佈取樣的過程,目的是通過少量關鍵樣本來獲取整體分佈的關鍵資訊。

通過由特製的量子光源發出的多光子同時進入光纖通道,在光纖通道末端則有高效能光子探測器,來準確捕獲每個光子,所以整個實驗的設計及操作是一個極其複雜的過程。

2020 年,潘建偉團隊就成功構建了由 76 個光子 100 個模式下的高斯玻色取樣第一代量子計算原型機 “九章”,輸出量子態空間規模達到了 10³⁰,實現高斯玻色取樣速度比超級計算機快一百萬億倍。


同時潘建偉團隊在超導量子計算領域於 2021 年 5 月通過可程式設計二維量子行走構建了當時國際上量子位元數目最多的 62 位元的超導量子計算原型機 “祖沖之號”。

超導量子超導計算原型機上使用的是 Transmon(Transmission Line Shunted Plasma Oscillation)量子位元, 它的原理上是使用含有超導約瑟夫森效應(Josephson effect)的非線性振盪器,這種巨集觀量子效應使超電流在無電壓的情況下可以通過弱連線的超導體,Transmon 最低的兩種能量級被編碼作為量子位元態。

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每個量子位元態都有兩條控制線路相連線,一條為用以驅動和狀態的微波線路,一條為偏置磁通線路,用以調諧量子位元的震盪頻率。同時由於晶片的網格結構,每個量子位元都與近鄰通過可以快速開關的耦合器相連。通過量子程式設計的方式,實現了對量子隨機線路取樣,可用於執行任意量子演算法的程式設計能力。


這一次在 2021 年,潘建偉團隊在“九章”原型機的基礎上又進行了一系列概念和技術的創新。受到鐳射原理中 “受激輻射光放大” 這一概念的啟發,研究人員設計並實現了受激雙模量子壓縮光源,顯著提高了量子光源的產率、品質和收集效率。

其次,通過三維整合和收集光路的緊湊設計,多光子量子干涉線路增加到了 144 個維度。由此,“九章二號” 探測到的光子數增加到了 113 個,輸出態空間維度達到了 10⁴³。進一步,通過動態調節壓縮光的相位,研究人員實現了對高斯玻色取樣矩陣的重新配置,演示了 “九章二號” 可用於求解不同引數數學問題的程式設計能力。


同樣地,潘建偉團隊在“祖沖之號”的基礎上採用全新的倒裝焊 3D 封裝工藝解決了大規模位元整合的問題,研製成功“祖沖之 2.1”,實現了 66 個資料位元、110 個耦合位元、11 路讀取的高密度整合,最大態空間維度達到了 10¹⁹。

“祖沖之 2.0” 採用可調耦合架構,實現了位元間耦合強度的快速、精確可調,顯著提高了並行量子門操作的保真度。基於超導量子位元與光量子位元技術是國際公認的有望實現量子計算的物理體系,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越性,是量子計算髮展的一個重要的里程碑。而以上這些工作奠定了中國成為在光量子計算和超導量子計算兩大體系領域同時達到 “量子計算優越性” 里程碑的唯一國家。

量子計算研究進入全新階段

來自加拿大 Calgary 大學的著名量子物理學家 Barry Sanders 教授在受邀撰寫長篇文章評論這兩項重大工作時,高度稱讚了這兩項重大突破,並表示量子計算超過傳統超級計算機(The point at which a quantum computer outperforms the best possibleclassical computer)這一點已經毋庸置疑地成為現實。

量子計算優越性的成功演示標誌著量子計算研究進入到發展的全新階段,即將開始量子糾錯和近期應用新的探索。

例如憑藉 “祖沖之二號” 採用的二維網格位元排布晶片架構,直接相容表面碼量子糾錯演算法為量子糾錯並進一步實現通用量子計算奠定了基礎。

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潘建偉及其團隊主要從事量子物理和量子資訊等方面的研究,同時他作為國際上量子資訊實驗研究領域開拓者之一,是該領域有重要國際影響力的科學家,取得了一系列有重要意義的研究成果。

潘建偉表示,下一步他們團隊希望能夠通過 4 到 5 年的努力實現量子糾錯,在使用量子糾錯的基礎之上,我們就可以來探索用一些專用的量子計算機或者量子模擬機來解決一些具有重大應用價值的科學問題。

有意思的是 “九章” 的名字來源於中國公元一世紀的數學古典著作,祖沖之則是中國南北朝時間著名的數學家,兩大量子計算系統以這種“中國化”方式進行命名,則體現了中國科研人員的科研能力自信和實現民族偉大復興的遠大抱負。

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