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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海技術(shù)物理研究所合作，構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)“量子隨機(jī)線路取樣”任務(wù)的快速求解。根據(jù)現(xiàn)有理論，“祖沖之二號(hào)”處理的量子隨機(jī)線路取樣問題的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快7個(gè)數(shù)量級(jí)，計(jì)算復(fù)雜度比谷歌公開報(bào)道的53比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)（“懸鈴木”處理“量子隨機(jī)線路取樣”問題比經(jīng)典超算快2個(gè)數(shù)量級(jí)），這一成果是我國繼光量子計(jì)算原型機(jī)“九章”后在超導(dǎo)量子比特體系首次達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑，使得我國成為目前唯一同時(shí)在兩種物理體系都達(dá)到這一里程碑的國家。相關(guān)論文發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》和《科學(xué)通報(bào)》上。

圖一：祖沖之二號(hào)量子處理器圖

量子計(jì)算機(jī)對(duì)特定問題的求解超越超級(jí)計(jì)算機(jī)，即量子計(jì)算優(yōu)越性，是量子計(jì)算發(fā)展的第一個(gè)里程碑，達(dá)到該里程碑需要相干操縱50個(gè)以上量子比特。超導(dǎo)量子比特是國際公認(rèn)的有望實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算的物理體系之一。潘建偉、朱曉波、彭承志等長期瞄準(zhǔn)超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域，于2021年5月構(gòu)建了當(dāng)時(shí)國際上量子比特?cái)?shù)目最多的62比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”，并實(shí)現(xiàn)了可編程的二維量子行走 [Science 372, 948 (2021)]。

團(tuán)隊(duì)在“祖沖之號(hào)”的基礎(chǔ)上，采用全新的倒裝焊3D封裝工藝，解決了大規(guī)模比特集成的問題，研制成功“祖沖之二號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了66個(gè)數(shù)據(jù)比特、110個(gè)耦合比特、11路讀取的高密度集成，最大態(tài)空間維度達(dá)到了1019?！白鏇_之二號(hào)”采用可調(diào)耦合架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了比特間耦合強(qiáng)度的快速、精確可調(diào)，顯著提高了并行量子門操作的保真度。通過量子編程的方式，研究人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子隨機(jī)線路取樣，演示了“祖沖之二號(hào)”可用于執(zhí)行任意量子算法的編程能力。根據(jù)目前已公開的最優(yōu)化經(jīng)典算法，“祖沖之二號(hào)”處理量子隨機(jī)線路取樣問題的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快7個(gè)數(shù)量級(jí)，計(jì)算復(fù)雜度較谷歌“懸鈴木”提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)。

量子計(jì)算優(yōu)越性的成功演示標(biāo)志著量子計(jì)算研究進(jìn)入到發(fā)展的第二階段，開始量子糾錯(cuò)和近期應(yīng)用的探索?！白鏇_之二號(hào)”采用二維網(wǎng)格比特排布芯片架構(gòu)，直接兼容表面碼量子糾錯(cuò)算法，為量子糾錯(cuò)并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，“祖沖之二號(hào)”的并行高保真度量子門操控能力和完全可編程能力，有望在特定領(lǐng)域找到有實(shí)用價(jià)值的應(yīng)用，預(yù)期應(yīng)用包括量子機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)、量子近似優(yōu)化等。

圖二：量子隨機(jī)線路取樣保真度隨線路深度的變化及目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”完成相同任務(wù)需要的時(shí)間。

上述項(xiàng)目受到了安徽省、上海市、科技部和中科院的支持。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180501

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927321006733