昨天，記者從中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院獲悉，我國首臺實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”的光量子計 算原型機“九章號”、超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之號”的升級版雙雙問世——

“九章二號”操控的光子數(shù)從76個增加到113個，多光子量子干涉線路增加到144維度。其處理特定問題的速度比超級計算機快億億億倍，并實現(xiàn)了相位可編程功能。

“祖沖之二號”操控的超導(dǎo)比特數(shù)從62比特上升至66比特，首次達到“量子計算優(yōu)越性”里程碑。其處理量子隨機線路取樣問題的速度，比目前最快的超級計算機快一千萬倍，計算復(fù)雜度比谷歌公開報道的53比特超導(dǎo)量子計算原型機“懸鈴木”提高了一百萬倍。

這使我國成為目前世界上唯一在超導(dǎo)量子和光量子兩種系統(tǒng)都達到“量子計算優(yōu)越性”里程碑的國家。

“九章二號”

刷新國際光量子操縱技術(shù)水平

繼去年12月“九章號”問世以來，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、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，又進行了一系列概念和技術(shù)創(chuàng)新。

“我們受激光‘受激發(fā)輻射放大’概念的啟發(fā)，對量子光源進行了改進，使光子的產(chǎn)率較之前提升了三倍，光源關(guān)鍵指標(biāo)也從63%提升到92%。”陸朝陽介紹，這對于“九章二號”的性能提升起到了關(guān)鍵作用。

與此同時，通過三維集成和收集光路的緊湊設(shè)計， “九章二號”的多光子量子干涉線路從之前的100維度增加到了144維度。由此， “九章二號”探測到的光子數(shù)增加到了113個，輸出態(tài)空間維度達到了1043。

更值得一提的是，“九章二號”還實現(xiàn)了相位可編程功能。陸朝陽解釋，此處的“可編程”并非傳統(tǒng)計算機的編程，“我們可以動態(tài)調(diào)節(jié)壓縮光的相位，實現(xiàn)對高斯玻色取樣矩陣的重新配置”。

因此， “九章二號”可用于求解不同參數(shù)數(shù)學(xué)問題。根據(jù)目前已正式發(fā)表的最優(yōu)化經(jīng)典算法， “九章二號”在高斯玻色取樣這個問題上的處理速度比最快的超級計算機快億億億倍。也就是說，全球“最快超算”需30萬億年可算出的問題， “九章二號”只需1毫秒即可解決。

目前，在國際光量子計算領(lǐng)域，世界排名第二的加拿大量子科技公司仙樂都實現(xiàn)的光量子操縱數(shù)目僅為18個。中國科學(xué)家的成果再次刷新了國際上光量子操縱的技術(shù)水平。著名量子物理學(xué)家、加拿大卡爾加里大學(xué)教授巴里·桑德斯稱贊該工作是“令人激動的實驗杰作” “令人印象深刻的最前沿的進步”。

“祖沖之二號”

首次達到“量子計算優(yōu)越性”里程碑

與“九章二號”相比，“祖沖之二號”的問世顯得更加激動人心——這是我國首次在超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域超越谷歌，并達到“量子計算優(yōu)越性”里程碑。

今年5月剛剛發(fā)布的“祖沖之號”，不到半年又有了升級版。“‘祖沖之二號’的處理器芯片采用全新的倒裝焊3D封裝工藝，解決了大規(guī)模比特集成的問題。”中科大量子創(chuàng)新院教授朱曉波介紹，由潘建偉教授領(lǐng)銜，他與彭承志組成的研究團隊，與中科院上海技術(shù)物理研究所開展合作，“這一技術(shù)的突破，使得‘祖沖之二號’性能有了質(zhì)的提升”。

與“祖沖之號”相比，“祖沖之二號”實現(xiàn)了66個數(shù)據(jù)比特、110個耦合比特、11路讀取的高密度集成，最大態(tài)空間維度達到了1019。朱曉波介紹，“祖沖之二號”采用了“祖沖之號”所沒有的可調(diào)耦合架構(gòu)，“這些耦合比特就是人類得心應(yīng)手的工具，從而能夠更好控制數(shù)據(jù)比特”，因此在“祖沖之二號”上，科學(xué)家實現(xiàn)了比特間耦合強度的快速、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，研究人員實現(xiàn)了對量子隨機線路取樣，演示了“祖沖之二號”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”處理量子隨機線路取樣問題的速度比目前最快的超級計算機快一千萬倍，計算復(fù)雜度較谷歌“懸鈴木”提高一百萬倍。

朱曉波透露，目前研究團隊已在進行更復(fù)雜的實驗，以期不斷刷新紀錄，“五年之后，希望可以驗證‘有糾錯保護的量子比特’，最終走向通用容錯的量子計算”。

量子計算競爭

“量子糾錯”將是下一個堡壘

“這一領(lǐng)域還將會有很大提升空間。我們希望，這些工作能繼續(xù)激發(fā)更多經(jīng)典算法模擬方面的工作。”研究團隊領(lǐng)銜者、中科院院士、中科大常務(wù)副校長潘建偉表示，量子優(yōu)越性研究不會一蹴而就，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭，但最終量子并行性會產(chǎn)生經(jīng)典計算機無法企及的算力。

近年來，谷歌、IBM等公司紛紛對外宣稱成功開發(fā)出了超過50量子比特的量子計算原型機，但實現(xiàn)量子計算的關(guān)鍵參數(shù)不僅僅是量子比特數(shù)量，還有系統(tǒng)的保真度。隨著量子比特數(shù)量和循環(huán)次數(shù)的增加，保真度會急劇下降，錯誤率會相應(yīng)上升。

潘建偉表示，接下來，團隊希望通過四至五年的努力實現(xiàn)量子糾錯，“在使用量子糾錯的基礎(chǔ)上，我們可以探索利用一些專用量子計算機或者量子模擬機的強大算力，解決一些具有重大應(yīng)用價值的科學(xué)問題”。