刷新记录！详解176比特的“祖冲之号”量子计算云平台

光子盒研究院出品

联网就能用上全球领先的量子计算机？这一梦想正走进现实。
2023年5月31日，在中科院量子信息与量子科技创新研究院（以下简称“量子创新研究院”）的指导下，在中科院软件所和中电科十六所的技术支持下，科大国盾量子技术股份有限公司（以下简称“国盾量子”）携手弧光量子等合作伙伴发布新一代量子计算云平台，接入“祖冲之号”同款176比特超导量子计算机。

发布会现场

——这不仅刷新了我国云平台的超导量子计算机比特数记录，也是国际上首个在超导量子路线上具有实现量子优越性潜力、对外开放的量子计算云平台，将进一步推动量子计算软硬件发展及生态建设。

祖冲之号量子计算机的研发，可以追溯到2019年——
2019年，谷歌团队宣布其“悬铃木”量子处理器达到“量子计算优越性”(当时叫做“量子霸权”)，震惊了全世界，以至于很多人忽略了潘建伟、朱晓波团队在这一年取得的重大成就。
这一年，团队在一维链结构12比特超导量子芯片上实现了12个量子比特纠缠“簇态”的制备，保真度达到70％；开创性地将超导量子比特应用到量子行走的研究中，随后将芯片结构从一维扩展到准二维，制备出了承载24个比特的高性能超导量子处理器：这是首次在固态量子计算系统中实现了超过20比特的高精度量子相干调控。
 2020年，朱晓波团队开始朝着实现“量子计算优越性”的目标进发，原本计划在当年达成，但在实际过程中遇到了困难。在2020年12月由中科院物理所主办的“量子计算及量子信息研讨会”上，朱晓波透露，从6月到8月，中科大团队的60+量子比特处理器迭代了4次，“由于系统的复杂性，原本希望2020年底或2021年上半年能将其量子优越性展示出来，但是现在看来还有不少问题。” 2021年，在团队的不懈努力之下，5月，潘建伟、朱晓波、彭承志等成功研制了62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。创下了国际上超导量子比特数目最多的记录。

“祖冲之号”二维超导量子比特芯片示意图,每个橘色十字代表一个量子比特。
然而，“祖冲之号”距离实现“量子计算优越性”仍有一定距离，为此，该团队继续进行优化。2021年6月底，祖冲之团队推出了优化后的66比特可编程超导量子计算原型机——“祖冲之二号”，并实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解。这一研究突破使中国在超导量子比特体系中首次达到“量子计算优越性”的里程碑。 
几个月后，“祖冲之二号”达到了更大规模的“量子计算优越性”，处理的量子随机线路取样问题的速度比目前最快的超级计算机快7个数量级、计算复杂度比谷歌公开的53比特超导量子计算原型机“悬铃木”提高了6个数量级。

“祖冲之二号”量子处理器。 
由于具有高质量的量子比特，“祖冲之二号”单比特门、两比特门和读取保真度分别为99.84%、99.40%和97.74%，相比之下，谷歌“悬铃木”在其“量子计算优越性”实验中的三项保真度分别为99.84%、99.38%和96.20%。这一研究突破也回答了Martinis关于“如何在良好的门保真度下扩大规模”的问题。
量子计算优越性的成功演示也标志着我国量子计算研究进入到技术发展的第二阶段：量子纠错和近期应用的探索。基于“祖冲之号”系列量子计算原型机的二维可编程量子行走在量子搜索算法、通用量子计算等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。 
2021年，“祖冲之二号”和“九章二号”量子计算优越性实验成功入选了美国物理学会“2021年物理学十大进展”，朱晓波教授也凭借“祖冲之号”获得了第三届“科学探索奖”(THE EXPLORER PRIZE)。
据中国科学技术大学教授、“祖冲之号”量子计算总师朱晓波介绍，比特数是衡量量子计算机可实现的计算能力的重要指标。
此次，中国科大“祖冲之号”研发团队在原“祖冲之号”66比特的芯片基础上做出提升，新增了110个耦合比特的控制接口，使得用户可操纵的量子比特数达到176比特。除了比特规模，在其他涉及量子计算机性能的连通性、保真度、相干时间等关键指标上，“祖冲之号”云平台接入的新一代量子计算机的设计指标也瞄准国际最高水平，不断在实际中调试提升其性能。

量子计算云平台旨在通过云技术连接用户与量子计算设备，支持用户远程进行量子计算实验和开发等。但由于量子计算机研发门槛极高、运行环境严苛、辅助设备复杂等，目前全球接入量子计算真机的云平台很少，更缺少能实现量子优越性的高性能量子计算机。同时，量子计算机需要服务于重大科技攻关项目，难以满足外部体验和使用的需要。
为了让更多用户体验、学习、探索量子计算，2022年下半年，国盾量子搭建了一台“祖冲之二号”同等规模自主可控的超导量子计算机；2023年5月31日，将接入“国盾量子计算云平台”并开放给全社会。其中，量子创新研究院提供了“祖冲之号”同款量子计算芯片，国盾量子提供了测控设备等硬件设施，承担了整机和云平台系统的搭建及运维工作，与中电科十六所、中科弧光量子等合作研制开发了关键核心器件、国产量子程序编译语言和软件，共同建设了新的176比特超导量子计算机并上线云平台。

国盾量子系列产品

国盾量子科研人员正在组装超导量子计算机 
“祖冲之号”量子计算常务总指挥、国盾量子董事长彭承志认为，量子计算未来可为密码分析、人工智能、气象预报、资源勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供解决方案，其中量子计算云平台是量子计算走向应用的重要一步。
对于社会大众来说，可以利用量子计算云平台进行科普，亲身体验简易的量子计算编程和图像实验等；对于更广泛的产业用户来说，可远程访问具备量子优越性潜力的量子计算机，能进一步发展量子编程框架，进行应用探索；高性能量子计算机和开放共赢的云平台的发布，也将促进中国量子计算自主可控产业链发展，有助于量子技术技术和产业生态的健康发展。
彭承志表示，量子计算现阶段正处于从原型机到专用机的攻坚时期，我们集合所有力量，就是希望向最终实现通用量子计算探索出一条切实可行的道路，同时不断推进前沿科技沿途下蛋。
参考链接：[1]https://www.wehefei.com/news/2023/05/31/c_516999.htm[2]https://www.jiemian.com/article/9503814.html

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