潘建偉團(tuán)隊(duì)最新成果，“祖沖之號(hào)”實(shí)現(xiàn)5萬多倍的量子優(yōu)越性，反超谷歌！

最近，根據(jù)報(bào)道，日本超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”在“TOP500”、“HPCG”、“HPL-AI”、“Graph500”四大榜單中連續(xù)三期排名世界第一。

反觀國(guó)內(nèi)，量子計(jì)算領(lǐng)域新將“祖沖之號(hào)”也有著不俗表現(xiàn)。

既5月初登上Science后，中科大中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的“祖沖之號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)再次實(shí)現(xiàn)突破。

6月28日，在這篇名為《利用超導(dǎo)量子處理器實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性》的文章中，中科大團(tuán)隊(duì)宣稱，使用“祖沖之號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)中的56個(gè)qubit，實(shí)現(xiàn)了比當(dāng)年谷歌Sycamore處理器53個(gè)qubit強(qiáng)2~3個(gè)數(shù)量級(jí)的量子優(yōu)越性。

文章還指出，“祖沖之號(hào)”將現(xiàn)存功能最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)需8年完成的任務(wù)樣本壓縮至最短1.2小時(shí)完成，從而證明了量子計(jì)算的巨大優(yōu)越性。

論文鏈接：

https://arxiv.org/abs/2106.14734

“祖沖之號(hào)”實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于谷歌的量子優(yōu)越性

首先，我們來解決一個(gè)問題，量子比特?cái)?shù)量最多意味著什么。

引用一下中國(guó)科學(xué)院科學(xué)傳播研究中心副主任袁嵐峰的說法，“首先它實(shí)現(xiàn)的事情是量子隨機(jī)行走，它營(yíng)造出了62個(gè)國(guó)際象棋棋盤上的空間，用這樣一個(gè)模型，它可以實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算。也就是說，量子計(jì)算能夠?qū)崿F(xiàn)的任何功能和計(jì)算任務(wù)都可以通過這樣一種方式來實(shí)現(xiàn)”。

回到論文，如下圖所示，可以看到，當(dāng)量子比特?cái)?shù)只有15個(gè)的時(shí)候，運(yùn)行10個(gè)循環(huán)，總的操控保真度控制在20-30%之間。

相較于谷歌Sycamore，當(dāng)量子比特?cái)?shù)目只有12個(gè)左右的時(shí)候，運(yùn)行14個(gè)循環(huán)，總的操控保真度不到40%。

對(duì)于操控保真度來說，如果低于50%，那就相當(dāng)于錯(cuò)誤比正確多。因此在這個(gè)意義上，“祖沖之號(hào)”的確要優(yōu)于Sycamore。

同時(shí)，“祖沖之號(hào)”實(shí)現(xiàn)了平均99.86%的高保真度單量子比特門，和平均99.41%的雙量子比特門，以及95.48%的輸出。

根據(jù)知乎用戶國(guó)產(chǎn)小栗旬的整理，從5個(gè)維度對(duì)世界上最頂尖的可編程量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行了橫向?qū)Ρ龋⒈硎?，“祖沖之號(hào)排進(jìn)世界Top3絕對(duì)沒有問題”。

在比特?cái)?shù)、門保真度和相干時(shí)間上，“祖沖之號(hào)”都超過了谷歌目前已發(fā)表的水平。

“單看這三個(gè)指標(biāo)，基本可以宣布朱老師的超導(dǎo)系統(tǒng)是當(dāng)之無愧的國(guó)內(nèi)Top1，在世界上甚至可以排進(jìn)Top3，直接對(duì)標(biāo)谷歌、IBM這些工業(yè)巨頭的量子計(jì)算機(jī)?！?/p>

列表中的數(shù)據(jù)基于已發(fā)表的論文和帶有詳細(xì)參數(shù)的官方通稿。IONQ QV 400萬系統(tǒng)由于沒有給出詳細(xì)參數(shù)所以未被列入其中，九章由于暫時(shí)不可編程所以未被列入其中，量子點(diǎn)體系由于qubit數(shù)目暫時(shí)比較少所以未被列入其中。

對(duì)于“祖沖之號(hào)”的命名，研究團(tuán)隊(duì)共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院教授朱曉波表示，這是為了紀(jì)念我國(guó)杰出的數(shù)學(xué)家祖沖之。祖沖之首次將圓周率精算到小數(shù)第七位，他提出的“祖率”對(duì)數(shù)學(xué)研究有重大貢獻(xiàn)。

在大尺度晶格上首次實(shí)現(xiàn)量子行走的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

其實(shí)，早在5月，潘建偉團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)研制出了全球超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)量最多的量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”，這也宣告著全球最大量子比特?cái)?shù)的超導(dǎo)量子體系的誕生。

題為《在可編程二維62比特量子處理器上的量子行走》的論文也得以在Science上發(fā)表。

論文鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/372/6545/948/tab-pdf

量子行走是經(jīng)典隨機(jī)行走的量子力學(xué)模擬，是實(shí)現(xiàn)量子模擬、量子搜索算法甚至通用量子計(jì)算極為強(qiáng)大的工具。

“祖沖之號(hào)”可操縱的超導(dǎo)量子比特多達(dá)62個(gè)，而此前谷歌實(shí)現(xiàn) “量子優(yōu)越” 的Sycamore的53個(gè)量子比特。研究團(tuán)隊(duì)在大尺度晶格上首次實(shí)現(xiàn)了量子行走的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)量子行走構(gòu)型的精準(zhǔn)調(diào)控，構(gòu)建了可編程的雙粒子量子行走。

正如論文寫到：“我們?cè)O(shè)計(jì)和制造了一個(gè)由62個(gè)功能性量子位比特組成的8x8二維方形超導(dǎo)量子位陣列。我們使用該設(shè)備演示了高保真單粒子和兩個(gè)粒子的量子步態(tài)?！?/p>

但朱曉波教授也曾在多個(gè)公開場(chǎng)合就特別說明，不能以數(shù)量多來判斷量子計(jì)算機(jī)的性能，還需要考慮量子比特的質(zhì)量，操控情況等。

二維超導(dǎo)量子比特芯片示意圖, 每個(gè)橘色十字代表一個(gè)量子比特。

由于量子處理器的高度可編程性，研究者還研制出Mach-Zehnder干涉儀?！巴ㄟ^調(diào)整進(jìn)化路徑上的障礙，我們觀察到了單行和雙行的干擾條紋，”研究團(tuán)隊(duì)在論文中寫道，“我們的工作是該領(lǐng)域的重要里程碑，使未來的大規(guī)模量子應(yīng)用更接近在這些嘈雜的中型量子處理器上實(shí)現(xiàn)”。

網(wǎng)友：中國(guó)趕超水平令人驚嘆

對(duì)此網(wǎng)友們也是表達(dá)了自己的驚訝和贊嘆。

知乎網(wǎng)友Golden Horqin就表示，“作為國(guó)內(nèi)的半個(gè)同行，考慮到這篇文章背后的技術(shù)——立體封裝、可調(diào)耦合、高質(zhì)量超導(dǎo)量子比特，也是由衷非常欽佩的。國(guó)內(nèi)其他同行可能倍感壓力吧，他們和潘院士團(tuán)隊(duì)的距離也許比潘院士團(tuán)隊(duì)和谷歌公司的距離還要大”。

鏈接：

https://www.zhihu.com/question/468741820/answer/1970232086

知乎匿名用戶甚至把科大和谷歌的比拼視為“俠客過招”，“谷歌先出招，科大先用自己國(guó)際領(lǐng)先的光量子抵擋了一招，然后再用對(duì)手的一模一樣的招，以其人之道還制其人之身”。

該用戶還補(bǔ)充到，“九章最讓人激動(dòng)人心的是中國(guó)的科學(xué)原創(chuàng)，一路領(lǐng)先。祖沖之號(hào)讓人激動(dòng)的是，中國(guó)趕超水平令人驚嘆”。

知乎網(wǎng)友國(guó)產(chǎn)小栗旬感嘆道：

朱老師從剛來到中科大到現(xiàn)在也才不過五六年的時(shí)間，卻走完了Google Quantum Lab原老板John Martinis十多年的路。朱老師團(tuán)隊(duì)在不到 Google 1/2的時(shí)間，不足1/2的人數(shù)和不足1/10的經(jīng)費(fèi)的條件下，仍然能做到超越Google的水平。

正值中國(guó)共產(chǎn)黨建黨100周年紀(jì)念，“祖沖之號(hào)”的進(jìn)步無疑是中國(guó)的驕傲，也希望能順著這股勢(shì)頭，國(guó)內(nèi)可以涌現(xiàn)更多強(qiáng)大的科研團(tuán)隊(duì)，在不同的領(lǐng)域各自開花散葉。