“比超級(jí)計(jì)算機(jī)快億億億倍！”

此次，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了對“量子隨機(jī)線路取樣”任務(wù)的快速求解。
根據(jù)現(xiàn)有理論，“祖沖之二號(hào)”處理的量子隨機(jī)線路取樣問題的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快7個(gè)數(shù)量級(jí)，計(jì)算復(fù)雜度比谷歌公開報(bào)道的53比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)（“懸鈴木”處理“量子隨機(jī)線路取樣”問題比經(jīng)典超算快2個(gè)數(shù)量級(jí)），這一成果是我國繼光量子計(jì)算原型機(jī)“九章”后在超導(dǎo)量子比特體系首次達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑，使得我國成為目前唯一同時(shí)在兩種物理體系都達(dá)到這一里程碑的國家。相關(guān)論文成果日前相繼發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》和《科學(xué)通報(bào)》上。

量子計(jì)算機(jī)對特定問題的求解超越超級(jí)計(jì)算機(jī)，即量子計(jì)算優(yōu)越性，是量子計(jì)算發(fā)展的第一個(gè)里程碑，達(dá)到該里程碑需要相干操縱50個(gè)以上量子比特。超導(dǎo)量子比特是國際公認(rèn)的有望實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算的物理體系之一。潘建偉、朱曉波、彭承志等長期瞄準(zhǔn)超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域，于2021年5月構(gòu)建了當(dāng)時(shí)國際上量子比特?cái)?shù)目最多的62比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”，并實(shí)現(xiàn)了可編程的二維量子行走。
團(tuán)隊(duì)在“祖沖之號(hào)”工作的基礎(chǔ)上，采用全新的倒裝焊3D封裝工藝，解決了大規(guī)模比特集成的問題，研制成功“祖沖之二號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了66個(gè)數(shù)據(jù)比特、110個(gè)耦合比特、11路讀取的高密度集成，最大態(tài)空間維度達(dá)到了1019?！白鏇_之二號(hào)”采用可調(diào)耦合架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了比特間耦合強(qiáng)度的快速、精確可調(diào)，顯著提高了并行量子門操作的保真度。通過量子編程的方式，研究人員實(shí)現(xiàn)了對量子隨機(jī)線路取樣，演示了“祖沖之二號(hào)”可用于執(zhí)行任意量子算法的編程能力。
根據(jù)目前已公開的最優(yōu)化經(jīng)典算法，“祖沖之二號(hào)”處理量子隨機(jī)線路取樣問題的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快7個(gè)數(shù)量級(jí)，計(jì)算復(fù)雜度較谷歌“懸鈴木”提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)。
量子計(jì)算優(yōu)越性的成功演示標(biāo)志著量子計(jì)算研究進(jìn)入到發(fā)展的第二階段，開始量子糾錯(cuò)和近期應(yīng)用的探索?！白鏇_之二號(hào)”采用二維網(wǎng)格比特排布芯片架構(gòu)，直接兼容表面碼量子糾錯(cuò)算法，為量子糾錯(cuò)并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，“祖沖之二號(hào)”的并行高保真度量子門操控能力和完全可編程能力，有望在特定領(lǐng)域找到有實(shí)用價(jià)值的應(yīng)用，預(yù)期應(yīng)用包括量子機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)、量子近似優(yōu)化等。　

科技日報(bào)記者26日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，發(fā)展了量子光源受激放大的理論和實(shí)驗(yàn)方法，構(gòu)建了113個(gè)光子144模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號(hào)”，并實(shí)現(xiàn)了相位可編程功能，完成了對用于演示“量子計(jì)算優(yōu)越性”的高斯玻色取樣任務(wù)的快速求解。根據(jù)現(xiàn)有理論，“九章二號(hào)”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快10的24次方倍。這一成果再次刷新了國際上光量子操縱的技術(shù)水平，進(jìn)一步提供了量子計(jì)算加速的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
他們研究成果的相關(guān)論文于2021年10月26日以“編輯推薦”的形式發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。著名量子物理學(xué)家、加拿大Calgary大學(xué)教授Barry Sanders同時(shí)受邀在Physics網(wǎng)站上謄寫長篇評(píng)述文章，稱贊該工作是“令人激動(dòng)的實(shí)驗(yàn)杰作”（dramatic tour de force.....），“令人印象深刻的最前沿的進(jìn)步”（an impressive advance over the state-of-the-art）。

量子計(jì)算機(jī)在原理上可通過特定算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面，獲得比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更強(qiáng)的算力。早在1981年，費(fèi)曼就提出了量子計(jì)算的初步想法。大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)是世界科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一。對于研制容錯(cuò)的通用量子計(jì)算，因其苛刻的容錯(cuò)閾值和大尺度的量子比特?cái)?shù)目，離目前人類的科技發(fā)展水平尚有不小的差距。
因此，實(shí)現(xiàn)對于量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)，國際學(xué)術(shù)界采取三步走的路線圖。其中，第一個(gè)里程碑，在學(xué)術(shù)上被稱為“量子計(jì)算優(yōu)越性”，其含義是通過高精度地操縱近百個(gè)物理比特，用來高效地解決超級(jí)計(jì)算機(jī)都無法在合理時(shí)間內(nèi)解決的特定的高復(fù)雜度數(shù)學(xué)問題，從實(shí)驗(yàn)上確鑿地證明四十年前費(fèi)曼所提出來地量子計(jì)算加速設(shè)想，并駁斥“擴(kuò)展丘奇—圖靈論題”。
基于光子的玻色取樣和基于超導(dǎo)比特的隨機(jī)線路取樣是實(shí)驗(yàn)展示量子計(jì)算優(yōu)越性的兩個(gè)重要方案。潘建偉團(tuán)隊(duì)一直在光量子信息處理方面處于國際領(lǐng)先水平。2017年，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算原型機(jī)。2019年，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出希爾伯特態(tài)空間維度達(dá)到1014，逼近了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。
2020年，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了76個(gè)光子100個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)到了1030，處理高斯玻色取樣的速度比超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍，同時(shí)克服了谷歌基于“懸鈴木”超導(dǎo)處理器的隨機(jī)線路取樣實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞?！熬耪隆睂?shí)驗(yàn)完成后，在理論提出玻色取樣算法和證明計(jì)算復(fù)雜度的Scott Aaronson教授隨后獲得了由國際計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)頒發(fā)的ACM Prize in Computing。
2021年，團(tuán)隊(duì)在“九章”的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一系列概念和技術(shù)創(chuàng)新。受到激光—“受激輻射光放大”概念的啟發(fā)，研究人員設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了受激雙模量子壓縮光源，顯著提高了量子光源的產(chǎn)率、品質(zhì)和收集效率。其次，通過三維集成和收集光路的緊湊設(shè)計(jì)，多光子量子干涉線路增加到了144維度。由此，“九章二號(hào)”探測到的光子數(shù)增加到了113個(gè)，輸出態(tài)空間維度達(dá)到了1043。進(jìn)一步，通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)壓縮光的相位，研究人員實(shí)現(xiàn)了對高斯玻色取樣矩陣的重新配置，演示了“九章二號(hào)”可用于求解不同參數(shù)數(shù)學(xué)問題的編程能力。根據(jù)目前已正式發(fā)表的最優(yōu)化經(jīng)典算法，“九章二號(hào)”在高斯玻色取樣這個(gè)問題上的處理速度比最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快億億億倍。

研究人員希望這個(gè)工作能夠繼續(xù)激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作，也預(yù)計(jì)將來會(huì)有提升的空間。研究人員也表示，量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)并不是一個(gè)一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計(jì)算硬件之間的競爭，但最終量子并行性會(huì)產(chǎn)生經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法企及的算力。