56位元！潘建偉團隊「祖沖之號」展示量子計算優越性，超越谷歌

機器之心報道

機器之心編輯部

「祖沖之號」在晶片硬體、保真度和量子計算軟體上都實現了業內領先。

6 月 28 日，由中科大中科院量子資訊與量子科技創新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊提交了一篇名為《利用超導量子處理器實現強量子計算優越性》的文章。

在該研究中，研究者表示使用祖沖之號超導量子計算系統中的 56 個量子位元，實現了比當年 Google Sycamore 處理器 53 個量子位元強 2 至 3 個數量級的量子優越性。

文章指出，「祖沖之號」將現存功能最強大的超級計算機需 8 年完成的任務樣本壓縮至最短 1.2 小時完成，從而證明了量子計算的巨大優越性。

不論是從量子位元數目、保真度，還是在 T1 壽命等指標上，祖沖之號的超導量子計算系統都實現了國內領先，全球前三的水平。

論文連結：https://arxiv.org/abs/2106.14734

在該論文上傳 arXiv 後，即引起了大家廣泛的關注。在知乎熱榜上，有網友表示，「在資金、人員投入遠遠少於 Google 的情況下，取得現在的成績很是不易。」

這篇在預印版平臺上提交的論文，根據格式來看可能將投至《物理評論快報》PRL 上，按照正常審稿流程，它還需要經過一段時間才算正式發表。

實現 56 位元量子優越性

從論文中，我們可以看到潘建偉團隊實現量子優越性的關鍵資料。

下圖為祖沖之號量子處理器示意圖。如圖（a），該處理器由兩塊藍寶石晶片組成，一塊載有 66 個量子位元和 110 個耦合器，每個量子位元都與相鄰的四個量子位元相接，處於邊界處的量子位元除外；另一塊載有讀出器和控制線及佈線。這兩塊晶片與銦柱直線對齊並且邊界相連。圖（b）是量子位元個耦合器的簡化電路圖。

在這項工作中，研究者選取了其中的 56 個量子位元來展示隨機電路取樣，這些量子位元經過優化以實現經典模擬中的最佳計算複雜度。下圖 2 展示了單量子位元門、雙量子位元門和選取的 56 個量子位元的讀出效能（readout performance）。

為了具體描述該量子處理器的整體效能，研究者採用隨機量子電路（random quantum circuit ）取樣任務來進行基準測試。隨機量子電路是展示量子計算優勢的典型代表，並在認證隨機位元、誤差糾正和流體動力模擬方面具有潛在應用。

下圖 3 為 56 個量子位元隨機量子電路操作。該電路可分為 m 個週期，每個週期有一層單量子位元門和雙量子位元門。

下圖 4 為隨機量子電路的實驗結果。(a) 具有 15-56 量子位元和 10 個週期的隨機量子電路的結果。(b) 56 量子位元和 12-20 個週期的隨機量子電路的結果。

祖沖之號

2019 年，潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的超導量子實驗團隊先後實現了保真度達到 70% 的 12 位元超導量子晶片和 24 位元的超導量子處理器，這兩項研究成果均在《物理評論快報》上發表。

在今年 5 月份，潘建偉團隊 Science 釋出論文宣稱成功研製出62 位元可程式設計超導量子計算原型機「祖沖之號」，目前在國際上超導量子位元數量最多，並在此基礎上實現了可程式設計的二維量子行走（quantum walk）。

文章連結：https://science.sciencemag.org/content/early/2021/05/05/science.abg7812/tab-figures-data

量子行走是經典隨機遊走的量子力學模擬，也是量子模擬、量子搜尋演算法以及通用量子計算中非常強大的一種工具。在潘建偉團隊此次的研究中，他們研製出了一個包含 62 個功能性量子位元的 8x8 二維方形超導量子位元陣列，並使用該裝置演示了高保真單粒子和雙粒子的量子行走。

下圖為 62 位元超導量子處理器的佈局和架構，其中 A 為二維示意圖，B 為量子位元陣列單元的電路圖，C 為量子位元標籤：

二維超導量子位元陣列上的量子行走相關演化過程如下圖所示：

此外，得益於量子計算原型機的高度可程式設計性，研究者通過調製量子位元連線的拓撲結構實現了一個馬赫 - 曾德爾（Mach-Zehnder）干涉儀，其中量子 walker 在干涉和射出之前沿兩條路徑運動，實現了可程式設計的雙粒子量子行走。

通過調整演化路徑上的障礙，研究者觀察到了單個和兩個 walker 的干涉條紋。

下圖左為單粒子 Mach-Zehnder 干涉儀，圖右為 Mach-Zehnder 干涉儀中的兩個 walker：

隨著激發數和處理器尺寸的增加，多個 walker 的實現將推動我們在超導量子系統上實現量子優越性。

研究者表示，這項研究成果是該領域的重要里程碑，有助於未來大規模量子應用在中型量子處理器上的進一步實現。

此次在祖沖之號上，實現超越谷歌的量子優越性，也是大秀了一把肌肉，趕超國際的水平令人驚歎。