中国可编程超导量子处理器“祖冲之号”，实现了5万多倍的强大量子计算优势

    6月28日，由中科大教授潘建伟、朱晓波、陆朝阳、研究员彭承志等组成的研究团队，在arXiv上发表了题为“使用超导量子处理器的强大量子计算优势” (Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor) 的论文预印本[1]。

    在展示量子计算优势的过程中，扩展至拥有大量高精度控制的量子比特是至关重要的，它能以指数级的速度超越经典的硬件和算法。

    论文中，团队开发的二维可编程超导量子处理器“祖冲之号”，是由66个功能量子比特组成的可调谐耦合结构。

图1｜量子处理器“祖冲之号”器件示意图 (来源：中科大)

    为了表征整个系统的性能，团队运行了随机量子线路采样的基准测试，测试系统规模最高可达56量子比特和20个周期。

    而据团队估计，这项任务的经典模拟的计算成本，要比之前谷歌的53量子比特Sycamore量子处理器上的工作高2-3个数量级。

    不仅如此，团队预计“祖冲之号”在约1.2小时内完成的采样任务，将需要当今最强大的超级计算机至少8年时间才能完成。

    基于以上，中科大研究团队此次的工作，展现了一个明确的量子计算优势，这是经典计算在合理时间范围内无法完成的。

    高精度、可编程的量子计算平台，为探索新的多体现象和实现复杂的量子算法，打开了一扇新大门。

图2｜单量子比特门、双量子比特门和选定的56个量子比特的读出性能 (来源：中科大)

1. 量子计算优势

    在过去的几年里，量子计算机的物理实现方式取得了令人鼓舞的进展，这表明量子计算已经从理论层面过渡至技术层面。

    一路走来，展示量子计算优势 (也称为“量子优势”) 一直都是一个重要的里程碑。量子优势代表，量子设备能够以比任何经典计算机都要快的速度完成一个定义明确的计算任务，速度之快以至于没有经典计算机可以在合理时间范围内完成该任务。

    为此，不论是谷歌53个超导量子比特的实验，还是中科大此前76个光子的实验，都为证明量子计算优势提供了强有力的证据。

图3｜56量子比特的随机量子线路采样 (来源：中科大)

    此外，量子计算机竞争加速，全球各地的研究人员都在不断改进经典算法和硬件，因为量子计算优势的证明并非是一蹴而就的，需要对量子硬件进行升级。

    需要指出的是，量子比特数量的增长将以指数级别超越经典计算的性能。而同时增加量子比特的数量和高保真量子逻辑门，也是快速发展含噪中等规模量子 (NISQ) 技术和通过表面代码纠错演示逻辑量子比特的关键。

    事实上，目前正在研究一系列广泛的近期应用，包括量子化学、量子多体理论和量子机器学习。

2. 挑战与机遇

    扩大高保真超导量子处理器的规模，面临着芯片制造和量子比特控制方面的重大挑战。中科大研究团队建立的超导量子计算系统“祖冲之号”，其采用二维可调谐耦合结构，共包含66个量子比特。

    团队用“祖冲之号”实现了平均99.86%的高保真度单量子比特门，和平均99.41%的双量子比特门，以及平均95.48%的读出。同时，对多个量子比特进行同步门操作。

图4｜系统参数摘要 (来源：中科大)

    研究人员通过可编程的66量子比特超导量子处理器“祖冲之号”，能够实现量子线路的高保真逻辑运算，并消除不必要的串扰。

    该量子处理器还可以与表面代码纠错兼容，作为容错量子计算的试验台。

    研究人员期望这种大规模、高性能的量子处理器，能够在不久的将来使我们在经典计算机之外，追求有价值的NISQ量子应用。

    由于这一进展较新，所以目前除了论文外，没有官方平台的报道，量子客将持续追踪这一进展。

封面：

中科大

引用：

[1]https://arxiv.org/abs/2106.14734

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