“比超級計算機快億億億倍！”

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)量子計算原型機“祖沖之二號”，實現(xiàn)了對“量子隨機線路取樣”任務(wù)的快速求解。
根據(jù)現(xiàn)有理論，“祖沖之二號”處理的量子隨機線路取樣問題的速度比目前最快的超級計算機快7個數(shù)量級，計算復(fù)雜度比谷歌公開報道的53比特超導(dǎo)量子計算原型機“懸鈴木”提高了6個數(shù)量級（“懸鈴木”處理“量子隨機線路取樣”問題比經(jīng)典超算快2個數(shù)量級），這一成果是我國繼光量子計算原型機“九章”后在超導(dǎo)量子比特體系首次達到“量子計算優(yōu)越性”里程碑，使得我國成為目前唯一同時在兩種物理體系都達到這一里程碑的國家。相關(guān)論文成果日前相繼發(fā)表在《物理評論快報》和《科學(xué)通報》上。

量子計算機對特定問題的求解超越超級計算機，即量子計算優(yōu)越性，是量子計算發(fā)展的第一個里程碑，達到該里程碑需要相干操縱50個以上量子比特。超導(dǎo)量子比特是國際公認(rèn)的有望實現(xiàn)可擴展量子計算的物理體系之一。潘建偉、朱曉波、彭承志等長期瞄準(zhǔn)超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域，于2021年5月構(gòu)建了當(dāng)時國際上量子比特數(shù)目最多的62比特超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之號”，并實現(xiàn)了可編程的二維量子行走。
團隊在“祖沖之號”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”，實現(xiàn)了66個數(shù)據(jù)比特、110個耦合比特、11路讀取的高密度集成，最大態(tài)空間維度達到了1019?！白鏇_之二號”采用可調(diào)耦合架構(gòu)，實現(xiàn)了比特間耦合強度的快速、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，研究人員實現(xiàn)了對量子隨機線路取樣，演示了“祖沖之二號”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”處理量子隨機線路取樣問題的速度比目前最快的超級計算機快7個數(shù)量級，計算復(fù)雜度較谷歌“懸鈴木”提高了6個數(shù)量級。
量子計算優(yōu)越性的成功演示標(biāo)志著量子計算研究進入到發(fā)展的第二階段，開始量子糾錯和近期應(yīng)用的探索?！白鏇_之二號”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算法，為量子糾錯并進一步實現(xiàn)通用量子計算奠定了基礎(chǔ)。同時，“祖沖之二號”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)域找到有實用價值的應(yīng)用，預(yù)期應(yīng)用包括量子機器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)、量子近似優(yōu)化等。　

科技日報記者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隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，發(fā)展了量子光源受激放大的理論和實驗方法，構(gòu)建了113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”，并實現(xiàn)了相位可編程功能，完成了對用于演示“量子計算優(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”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快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，進一步提供了量子計算加速的實驗證據(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《物理評論快報》上。著名量子物理學(xué)家、加拿大Calgary大學(xué)教授Barry Sanders同時受邀在Physics網(wǎng)站上謄寫長篇評述文章，稱贊該工作是“令人激動的實驗杰作”（dramatic tour de force.....），“令人印象深刻的最前沿的進步”（an impressive advance over the state-of-the-art）。

量子計算機在原理上可通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面，獲得比經(jīng)典計算機更強的算力。早在1981年，費曼就提出了量子計算的初步想法。大規(guī)模量子計算機的物理實現(xiàn)是世界科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一。對于研制容錯的通用量子計算，因其苛刻的容錯閾值和大尺度的量子比特數(shù)目，離目前人類的科技發(fā)展水平尚有不小的差距。
因此，實現(xiàn)對于量子計算的物理實現(xiàn)，國際學(xué)術(shù)界采取三步走的路線圖。其中，第一個里程碑，在學(xué)術(shù)上被稱為“量子計算優(yōu)越性”，其含義是通過高精度地操縱近百個物理比特，用來高效地解決超級計算機都無法在合理時間內(nèi)解決的特定的高復(fù)雜度數(shù)學(xué)問題，從實驗上確鑿地證明四十年前費曼所提出來地量子計算加速設(shè)想，并駁斥“擴展丘奇—圖靈論題”。
基于光子的玻色取樣和基于超導(dǎo)比特的隨機線路取樣是實驗展示量子計算優(yōu)越性的兩個重要方案。潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處于國際領(lǐng)先水平。2017年，該團隊構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算原型機。2019年，團隊進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)空間維度達到1014，逼近了“量子計算優(yōu)越性”。
2020年，潘建偉團隊成功構(gòu)建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”，輸出量子態(tài)空間規(guī)模達到了1030，處理高斯玻色取樣的速度比超級計算機快一百萬億倍，同時克服了谷歌基于“懸鈴木”超導(dǎo)處理器的隨機線路取樣實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞?！熬耪隆睂嶒炌瓿珊?，在理論提出玻色取樣算法和證明計算復(fù)雜度的Scott Aaronson教授隨后獲得了由國際計算機協(xié)會頒發(fā)的ACM Prize in Computing。
2021年，團隊在“九章”的基礎(chǔ)上，進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)計并實現(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，多光子量子干涉線路增加到了144維度。由此，“九章二號”探測到的光子數(shù)增加到了113個，輸出態(tài)空間維度達到了1043。進一步，通過動態(tài)調(diào)節(jié)壓縮光的相位，研究人員實現(xiàn)了對高斯玻色取樣矩陣的重新配置，演示了“九章二號”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”在高斯玻色取樣這個問題上的處理速度比最快的超級計算機快億億億倍。

研究人員希望這個工作能夠繼續(xù)激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作，也預(yù)計將來會有提升的空間。研究人員也表示，量子優(yōu)越性實驗并不是一個一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭，但最終量子并行性會產(chǎn)生經(jīng)典計算機無法企及的算力。