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中國超導量子計算原型機 “祖沖之號” 實現大突破

5月8日，中國科學技術大學公布，該校潘建偉院士團隊近期成功研制了目前國際上超導量子比特數量最多的量子計算原型機“祖沖之號”，操縱的超導量子比特達到62個，并在此基礎上實現了可編程的二維量子行走。日前，國際權威學術期刊《科學》發表了該研究成果。
五個月前，潘建偉院士團隊宣布成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”，讓中國成為第二個擁有量子計算機的國家，打破了谷歌的量子霸權。這次研制成功的“祖沖之號”與上次“九章”量子計算機之間有什么區別？ “祖沖之號”與其他IT巨頭正在研發的量子計算機相比有何突破？“祖沖之號”未來的應用空間在哪里？未來的量子計算會如何發展？
關于“祖沖之號”與“九章”的區別，量子領域的有關專家接受《中國電子報》采訪人員采訪時表示：“前者是‘電學路線’量子計算機后者為‘光學路線’量子計算機，電學路線意味著有更好的產業化前景。目前包括IBM、英特爾、谷歌等全球IT巨頭都在采用了電學路線，這意味著中國的量子計算能夠與全球IT巨頭在同一技術路線上展開較量。”
或許有人會問上一次的“九章”是實現了76個光量子，這次的“祖沖之號”的量子比特數是62個，為什么比上次的數量要少了呢？這究竟如何來看這兩種技術路線的各自特點？專家表示，“光學路線”的優勢是能夠創造更多光量子，但其量子的可操控性要弱于“電學路線”，“電學路線”雖然量子數目實現的要少，但是其操控性、有效性等更強，而且電學路線可以將目前電子信息產業領域的大量制備進行復用，更容易產業化。
從量子計算能力或者說競爭力的指標上看，“量子比特數量”只是其中的一個維度，目前業界通常采用“量子體積”來衡量量子計算機強度，量子體積是IBM在2018年提出的一個測量量子計算機的強大程度的專用性能指標，其影響因素包括量子比特數、門和測量誤差、設備交叉通信、以及設備連接和電路編譯效率等。
【 中國超導量子計算原型機 “祖沖之號” 實現大突破】中國超導量子計算原型機 “祖沖之號” 實現大突破
文章插圖
（圖為二維超導量子比特芯片示意圖）
關于量子計算機的研發目前全球有多條技術路線，超導量子計算屬于“固態電學器件路線”是其中最有希望的候選者之一，也是最具產業化的量子計算路線，其核心研究目標是增加“可操縱”的量子比特數量，并提升操縱的精度，最終應用于實際問題。
中科大潘建偉、朱曉波、彭承志等人長期研究超導量子計算，先后實現了保真度達70％的12比特超導量子芯片、24個比特的高性能超導量子處理器等國際前沿成果。近期，他們在自主研制二維結構超導量子比特芯片的基礎上，成功構建了目前國際上超導量子比特數目最多、包含62個比特的可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”。
研究團隊在二維結構的超導量子比特芯片上，觀察了單粒子及雙粒子激發情形下的量子行走現象，實驗研究了二維平面上量子信息傳播速度，同時通過調制量子比特連接的拓撲結構的方式構建馬赫—曾德爾干涉儀，實現了可編程的雙粒子量子行走。
據悉，該成果為在超導量子系統上實現量子優越性，以及后續研究具有重大實用價值的量子計算奠定了技術基礎。此外，基于“祖沖之號”量子計算原型機的二維可編程量子行走，在量子搜索算法、通用量子計算等領域具有潛在應用，也將是后續重要的發展方向。
所以總結來看，這次潘建偉院士的“祖沖之號”量子計算機突破有幾個關鍵詞，其一是“超導電學量子計算路線”，其二是在超導量子計算上實現了最多的“量子比特”，“祖沖之號” 可操縱的超導量子比特多達 62 個，此前谷歌實現 “量子優越性” 的懸鈴木具備 53 個量子比特，這意味著在目前的公開報道中，“祖沖之號” 是世界上最大量子比特數的超導量子體系。其三是“二維可編程量子行走”。究竟什么是“二維可編程行走”？中國科學院科學傳播研究中心副主任袁嵐峰表示，“量子隨機行走”是一個計算模型，一種算法，用這樣一個模型，它可以實現通用量子計算，就是說量子計算能夠實現的任何功能，就或者說是任何的計算任務都可以通過這樣一種方式來實現。
目前合肥匯聚了包括潘建偉院士團體以及量子本源中國的量子研發團隊與企業，是中國量子計算研究的重要區域，剛剛從合肥參觀了量子計算機系統，來到廣州參加2021世界超高清視頻產業大會的中央戲劇學院教授宋震表示，一旦量子計算實現突破，將給我們生活與技術帶來巨大的“代次”變革，我們將從“二維”跨入“四維”時代，混合智能空間藝術的跨時空傳輸就成為現實，那時候我們將不再需要鍵盤、電腦，可能不需要手機，甚至會出現虛擬陪伴，自己和喜歡的明星，用混合空間智能藝術和他對話。

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