“祖沖之2.0”實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性 幾大突破讓量子計(jì)算顯著提升

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱中科大)潘建偉團(tuán)隊(duì)研制出66比特的可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之2.0”，在隨機(jī)線路采樣任務(wù)上實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性，所完成任務(wù)的難度比2019年谷歌“懸鈴木”高2—3個(gè)數(shù)量級(jí)。

與此同時(shí)，潘建偉團(tuán)隊(duì)升級(jí)版“九章2.0”極大地提高了量子優(yōu)勢(shì)：對(duì)于高斯玻色采樣問題，1年前的“九章”一分鐘可以完成的任務(wù)，世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要花費(fèi)億年時(shí)間;而“九章2.0”一分鐘完成的任務(wù)，超級(jí)計(jì)算機(jī)花費(fèi)的時(shí)間要再增加百億倍。并且“九章2.0”還具有了部分可編程的能力。

“九章2.0”和“祖沖之2.0”的出現(xiàn)，使我國成為唯一在兩個(gè)物理體系中實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的國家。

實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的主賽道

量子計(jì)算強(qiáng)大的計(jì)算能力將給人類社會(huì)帶來顛覆性的改變。然而，量子態(tài)脆弱而敏感，極易受到周圍環(huán)境噪聲的影響，在實(shí)際的物理體系中建造一臺(tái)量子比特?cái)?shù)足夠多、操控保真度足夠高的量子計(jì)算機(jī)要面臨極大挑戰(zhàn)。

2012年，加州理工學(xué)院教授、物理學(xué)家約翰·裴士基(John Preskill)提出，在達(dá)成通用量子計(jì)算這一長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)之前，應(yīng)該再設(shè)立兩個(gè)階段性的里程碑，其中第一個(gè)就是量子計(jì)算優(yōu)越性。

最初科學(xué)家們用來展示量子計(jì)算優(yōu)越性的特定任務(wù)，一定是精心設(shè)計(jì)、非常適合量子計(jì)算設(shè)備發(fā)揮其計(jì)算潛力的任務(wù)。這個(gè)任務(wù)不一定有實(shí)際價(jià)值，而主要用來證實(shí)量子計(jì)算的巨大潛力，同時(shí)在技術(shù)和理論上，能夠?yàn)橹蟮陌l(fā)展鋪設(shè)道路。

科學(xué)家們正基于多種物理體系和途徑，利用不同體系的特性和優(yōu)勢(shì)來開展量子計(jì)算研究。其中，超導(dǎo)量子計(jì)算作為一種固態(tài)量子計(jì)算方案具有可擴(kuò)展性好、量子比特相干時(shí)間長(zhǎng)、操作速度快、保真度高、加工工藝成熟等眾多優(yōu)點(diǎn);而光學(xué)體系具有光子易于操縱、退相干很小、室溫下運(yùn)行以及可用于長(zhǎng)距離通信等優(yōu)點(diǎn)，因此它們都是量子信息領(lǐng)域備受關(guān)注的物理實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。

目前階段，最可能用以演示量子計(jì)算優(yōu)越性的問題包括隨機(jī)量子線路采樣、玻色采樣、IQP線路等。其中，隨機(jī)線路采樣任務(wù)則非常適合在二維結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)量子計(jì)算芯片上完成。

玻色采樣及其“變體”高斯玻色采樣任務(wù)，特別適合于光學(xué)體系。事實(shí)上，玻色采樣實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)極富挑戰(zhàn)性的任務(wù)，對(duì)光子源、光學(xué)干涉儀、單光子探測(cè)器都提出了苛刻的要求。

幾大突破讓量子計(jì)算更快更強(qiáng)

“‘九章2.0’在計(jì)算規(guī)模和復(fù)雜度上都較‘九章’有了顯著提升，極大地提高了之前的量子優(yōu)勢(shì)。”中科大陸朝陽教授說，與“九章”相比，“九章2.0”重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了三大突破。

首先，“九章”的總系統(tǒng)效率偏低，約為30%，其中一個(gè)主要損耗來自光源。受到激光原理的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了受激壓縮光源，可得到同時(shí)滿足高壓縮量、高純度和高收集效率的壓縮光源。