同一天，中国两次宣布达到量子计算优越性

光子盒研究院出品 

小贴士：

“祖冲之号”实现量子计算优越性的实验数据可以下载了。中科院量子信息和量子科技创新研究院量子计算云平台是一个集实验、交流、分享为一体的量子计算公共平台信息系统，现在《超导量子计算处理器的强量子计算优越性》实验数据已经上线，欢迎大家下载、交流。

实验数据下载：

https://quantumcomputer.ac.cn/Knowledge/detail/all/d9644af872eb464e8adabb7e19027852.html

10月25日，中国科学技术大学研究团队的两篇实现“量子计算优越性”的论文同时在国际期刊《物理评论快报》上发表，分别是潘建伟、朱晓波团队的超导量子计算机祖冲之2.0和潘建伟、陆朝阳团队的光量子计算机九章2.0。

这是中国超导量子计算机首次实现量子计算优越性；光量子计算机九章2.0相比去年12月的九章1.0实现了更大规模的量子计算优越性。至此，中国成为世界上唯一一个在两个技术路线上实现“量子计算优越性”的国家。

根据国际学术惯例，研究团队先把论文发到了arXiv网站上，避免在审稿过程中，实验思路被人窃取。先前光子盒已经对此进行了报道，我们再来回顾一下。

CCTV-朝闻天下视频：

祖冲之2.0进行的是谷歌“悬铃木”的同类实验——随机电路采样，但电路的宽度和深度都更大。在实验中，研究团队完成了56比特、20层循环规模的随机电路采样实验；对于给定量子电路，“祖冲之2.0”芯片可在大约230秒内完成1百万次采样。

使用目前最高效的两类经典模拟算法——张量网络算法(单振福算法)以及费曼-薛定谔算法(全振幅算法)进行评估，“祖冲之2.0”采样任务的经典模拟复杂度比谷歌“悬铃木”高2到3个数量级。如果使用Summit超级计算机对谷歌“悬铃木”的实验进行经典模拟采样需要耗费16天，而对“祖冲之2.0”的量子计算优越性实验进行经典模拟采样则需要耗费8年。

祖冲之2.0超导量子芯片是一个由66个Transmon量子比特组成的11×6二维阵列，如下图所示。

除了芯片边缘的量子比特外，每个量子比特都有四个可调谐耦合器耦合到其最近的相邻量子比特，其中耦合器也是Transmon量子比特，其频率比数据量子比特的频率高几GHz。

所有的量子比特和耦合器都在一块蓝宝石芯片上制造，所有的控制线在另一块蓝宝石芯片上制造。这两个独立的蓝宝石芯片随后通过铟凸点倒装芯片技术堆叠在一起。

每个量子比特都有一条微波驱动线和一条快速通量偏置线来实现完全控制，包括状态激发和量子比特频率调制。每个耦合器由一条通量偏置线控制，可以实现耦合强度g从+5 MHz到-50 MHz的快速调谐。

为了实现门的并行执行，当应用单量子比特门时，所有耦合器都会关闭，只有当实现双量子比特门时，所需的耦合器才会打开。

本文实验中实现的双量子比特门是iSWAP门，用于随机电路采样。其矩阵形式为：

其中，五个参数{θ, φ, ∆+, ∆−, ∆−,off}通过双量子比特门交叉熵基准(XEB)拟合获得。

在同时应用所有门的情况下，单量子比特门和双量子比特门的平均泡利误差e1和e2分别为0.14%和0.59%，即保真度分别为99.86%和99.41%。读出误差er=4.52%，即平均读出保真度为95.48%。

(a)(b)(c)分别是随机电路采样任务中使用的56个量子比特和94个耦合器的单量子比特门泡利误差e1、量子比特状态读出误差er和双量子比特位门泡利误差e2。

在本文中，研究人员发展了对规模化的量子光源进行受激放大的技术，在144×144模式的高斯玻色采样实验中探测到了至多113个光子同时符合的事件。相比之下，去年12月的九章1.0拥有100×100模式，探测到了76个光子。

九章二号量子计算机原型机视频：

这一结果对应了希尔伯特空间维数高达10⁴³的采样，对比超级计算机运行的采样算法实现了10²⁴(1亿亿亿)倍的计算速度优势，比九章1.0(10¹⁵)高9个数量级。

为了实现在计算复杂度上超越经典计算机，需要高性能的量子光源、大规模、低损耗的光子回路和高效的单光子探测器。实验上，构建规模化的具有越来越高压缩量、高不可区分性和高收集效率的量子压缩光源，仍然是一个不小的挑战。

在九章2.0实验中，研究人员受到受激辐射光放大(LASER)概念的启发，设计了一种基于参量光受激放大的新型可扩展量子光源，克服了上述问题。

 九章2.0全图

通过巧妙的光源设计，使自发参量下转换产生的光子对与泵浦激光相干传播，在增益介质中受激放大后续的参量下转换过程。因此，研究人员得以在实验中降低泵浦功率并使用大束腰聚焦来生成具有更高不可区分性(0.961)和更高收集效率(0.918)的量子光源。

(a)受激参量下转换压缩光放大；(b)25个压缩光源的纯度平均为0.961；(c)25个压缩光源的收集效率平均为0.918；(d)高斯玻色采样，将25对双模压缩光子输入144×144模式干涉仪，由144个单光子探测器读出输出分布；(e)整个装置的相位稳定性。

得益于坚实的技术发展，中科大研究团队在量子计算优越性和量子技术领域中持续保持领先的国际地位。

九章2.0的希尔伯特态空间维数高达10⁴³(对于量子计算，希尔伯特空间用来表述量子系统的各种可能的量子态)，远高于谷歌“悬铃木”在量子计算优越性实验中的态空间维数是2⁵³≈9×10¹⁵，多伦多的光量子计算公司Xanadu相比九章2.0更是小了30多个数量级。

量子计算竞赛之重要指标：Hilbert space dimension.

在光量子计算技术路线上，九章2.0探测光子数达到113个，首次突破一百。潘建伟和同事在光量子计算研究方面一直处于领先。如下图所示，中科大研究组在光量子操纵数上保持了多年的世界记录，并在近期取得加速的技术进步。

 光子数操纵简史

如果按Preskill最早的定义，量子计算机计算速度达到超算的1010倍以上才算实现量子计算优越性的话，即粉色部分。迄今为止，光量子计算中只有九章1.0(10¹⁵倍)和九章2.0(10²⁴倍)处于量子计算优越性的区域内。

量子计算优越性的区域

量子计算优越性是经典模拟和量子设备之间的长期竞争，而不是一次性的实验演示。

最近两年，经典模拟算法不断发展。特别是，阿里巴巴发文估计，模拟悬铃木的53量子比特和20个周期的电路采样在Summit超级计算机上只需要约19天，在最近的中科院张潘一项工作中，仅使用60个GPU计算了200万个相关位串(或比特串)的精确振幅，而在谷歌原始论文中估计的时间为1万年。

经典算法和硬件的发展几乎将颠覆悬铃木已经取得的量子计算优越性。因此，量子硬件需要不断升级以保持量子计算优越性。这种长期的竞争也将为量子计算系统的基准测试提供重要的诊断，有助于最终实现容错量子计算。

在经典模拟和量子设备之间的长期竞争中，中国是不容忽视的一股力量。用《科学美国人》杂志的话说，包括“祖冲之号”和“九章”在内的科研成果使得中国在全球量子竞赛中处于领先地位。

今年9月，祖冲之2.1也在arXiv网站现身。祖冲之2.1系统规模达到60量子比特24层循环(祖冲之2.0为56量子比特20层循环)，读出保真度显著提高到平均97.74%(祖冲之2.0为95.48%)。

据估计，祖冲之2.1采样任务的经典模拟复杂度比谷歌“悬铃木”高6个数量级，比祖冲之2.0高3个数量级。祖冲之2.1在4.2小时内完成的60量子比特、24层循环的随机电路采样任务，将花费Summit超级计算机4.8万年来模拟。

让我们期待以中科大为代表的中国研究团队在未来取得更多重磅成果。

祖冲之2.0论文(物理评论快报PRL)：

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

九章2.0论文(物理评论快报PRL)：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180502

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