里程碑之日！中国实现量子优越性；IBM达到128QV；英特尔发布第二代量子控制芯片

光子盒研究院出品

今天，量子计算领域同时出现三大里程碑事件。

中国研究团队构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍，实现“量子优越性”（也叫“量子霸权”）。

此外，IBM的超导量子计算机首次达到128QV（量子体积），英特尔发布了第二代低温控制芯片HorseRidge II，是可扩展性方面取得的又一个里程碑。

而且三者的技术路线也不尽相同，分别为光量子计算、超导量子计算和硅自旋量子计算。

一百亿倍于谷歌量子计算机

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。

根据现有理论，该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍（“九章”一分钟完成的任务，超级计算机需要一亿年）。等效地，其速度比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“Sycamore”快一百亿倍。

这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性。相关论文于12月4日在线发表在国际学术期刊《科学》。

图1：“九章”量子计算原型机光路系统原理图：左上方激光系统产生高峰值功率飞秒脉冲；左方25个光源通过参量下转换过程产生50路单模压缩态输入到右方100模式光量子干涉网络；最后利用100个高效率超导单光子探测器对干涉仪输出光量子态进行探测。(制图：陆朝阳，彭礼超)

潘建伟团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平。2017年，该团队构建了世界首台超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机。2019年，团队进一步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，输出复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，逼近了“量子计算优越性”。

图2：光量子干涉实物图：左下方为输入光学部分，右下方为锁相光路，上方共输出100个光学模式，分别通过低损耗单模光纤与100超导单光子探测器连接。(摄影：马潇汉，梁竞，邓宇皓)

近期，该团队通过自主研制同时具备高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源，同时满足相位稳定、全连通随机矩阵、波包重合度优于99.5%、通过率优于98%的100模式干涉线路，相对光程10-9以内的锁相精度，高效率100通道超导纳米线单光子探测器，成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”（命名为“九章”是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》）。

图3：100模式相位稳定干涉仪：光量子干涉装置集成在20 cm*20 cm的超低膨胀稳定衬底玻璃上，用于实现50路单模压缩态间的两两干涉，并高精度地锁定任意两路光束间的相位。（摄影：马潇汉，梁竞，邓宇皓）

根据目前最优的经典算法，“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，等效地比谷歌去年发布的53比特量子计算原型机“Sycamore”快一百亿倍。同时，通过高斯玻色取样证明的量子计算优越性不依赖于样本数量，克服了谷歌53比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。“九章”输出量子态空间规模达到了1030（“Sycamore”输出量子态空间规模是1016，目前全世界的存储容量是1022）。

该成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。此外，基于“九章号”量子计算原型机的高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。

《科学》杂志审稿人评价该工作是“一个最先进的实验”（a state-of-the-art experiment），“一个重大成就”（a major achievement）。研究人员希望这个工作能够激发更多的经典算法模拟方面的工作，也预计将来会有提升的空间。量子优越性实验并不是一个一蹴而就的工作，而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争，但最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力。

上述项目受到了中国科学院、安徽省、科技部、上海市和基金委的支持。

来源：

http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73418.htm

IBM量子计算机实现128量子体积

美国时间12月3日，IBM量子计算副总裁Jay Gambetta在推特上发文，公开其量子计算机“IBM Q System One Montreal”已达到128量子体积。

而仅在4个月之前，IBM才实现第一台64量子体积的超导量子计算机。128量子体积已经与霍尼韦尔最新离子阱量子计算机相当。虽然Montreal计算机总共有27个量子比特，但要达到128量子体积，只需要使用7个电路深度为7的量子比特。

IBM原计划2022年突破100量子体积，如今已提前完成任务，并计划在2025年和2028年突破1000和10000量子体积。

Jay Gambetta透露了关于这台量子计算机性能方面的更多细节，根据他公布出的图表显示，Montreal计算机输出概率稳定在65%~70%之间，较之前有了大幅提升。

来源：

https://twitter.com/jaygambetta/status/1334526177642491904

英特尔发布第二代低温控制芯片

Horse Ridge II是英特尔的第二代低温控制芯片，它在量子计算机操作的关键控制功能中引入制冷设备，以此尽可能维持量子比特的性能，从而简化量子系统控制布线路的复杂性。

在英特尔实验室举行的在线活动上，它发布了第二代低温控制芯片Horse Ridge II，这标志着该公司在克服可扩展性（量子计算的最大障碍之一）方面取得又一里程碑式进展。基于2019年推出的第一代Horse Ridge控制器的创新，Horse Ridge II支持更强的功能和更高级别的集成，以“优雅”地控制量子系统。新功能包括操纵和读取量子比特状态的能力，以及控制纠缠多个量子比特所需的几个门的电势。

英特尔量子硬件总监Jim Clarke说：“借助Horse Ridge II，利用我们集成电路设计、实验室和技术开发团队的深厚跨学科专业知识，英特尔将继续引领量子低温控制领域。我们认为，仅增加量子比特的数量而不解决由此产生的线路复杂性，就像拥有一辆跑车，却总是被困在拥堵的道路中。Horse Ridge II进一步简化了量子电路，我们预计这一进展将提高保真度、降低输出功率，使我们朝着‘畅通无阻’集成量子电路的发展更进一步。”

为什么重要:

当下的量子系统大多使用带有许多同轴电缆的室温电子设备，这些电缆连接到制冷设备内的量子芯片。由于制冷设备的外形、成本、功耗和热负荷等因素，这一方法限制了量子比特数量的扩展。凭借第一代低温芯片Horse Ridge，英特尔朝着这一挑战迈出了第一步，从根本上简化了操作量子机器所需的多机架设备和数千条进出制冷设备的电线。英特尔用高度集成的片上系统（SoC）取代了这些笨重的仪器，简化了系统设计，并使用复杂的信号处理技术来缩短设置时间，提高量子比特性能，从而使研发团队能够有效地将量子系统扩展到更多的量子比特数量。

关于新功能：

HorseRidge II建立在第一代SoC产生射频脉冲以控制量子比特状态的能力上，称为量子比特驱动。它引入了两个额外的控制功能，为进一步将外部电子控制集成到低温冰箱内部的SoC中铺平了道路。

新功能支持：

量子比特读出：该功能提供读取当前量子比特状态的能力。允许芯片内低延迟量子比特状态检测，而无需存储大量数据，从而节省内存和功耗。

多门脉冲：能够同时控制多个量子比特门的电势，对于有效的量子比特读出和多个量子比特的纠缠和操作是至关重要的，为实现更可扩展的系统铺平了道路。

在集成电路中增加了一个可编程微控制器，使HorseRidge II能够提供更高水平的灵活性和复杂的控制，以实现三种控制功能。微控制器使用数字信号处理技术对脉冲进行附加滤波，有助于减少量子比特之间的串扰。

Horse Ridge II采用英特尔22纳米低功耗FinFET技术（22FFL）实现，其功能已在4开氏度的温度下得到验证。今天，量子计算机在毫开氏度的范围内工作——只比绝对零度高零点几度。但是，作为英特尔量子技术基础的硅自旋量子比特，其特性可以使其在1开氏度或更高的温度下工作，这将大大减少量子系统制冷的挑战。

英特尔的低温控制研究集中在实现控制和硅自旋量子比特相同的工作温度水平上。如Horse Ridge II所示，这一领域的不断进步代表了当今用强力方法扩展量子互连的进步，是该公司长期量子实用性愿景的关键要素。

下一步：

在明年2月举行的国际固态电路会议（ISSCC）上，英特尔将介绍这项研究的更多技术细节。

来源：

https://newsroom.intel.com/news/intel-debuts-2nd-gen-horse-ridge-cryogenic-quantum-control-chip/#gs.n4kgp4

-End-

1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。