我國成功研制62比特量子計(jì)算原型機(jī)祖沖之號(hào)，當(dāng)前，量子計(jì)算機(jī)作為世界科技前沿重大挑戰(zhàn)之一，已成為各國角逐的焦點(diǎn)。量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，可望通過特定算法在密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、天氣預(yù)報(bào)、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等領(lǐng)域，提供相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)指數(shù)級(jí)別的加速。
超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)祖沖之號(hào)研制成功
記者5月8日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉院士團(tuán)隊(duì)近期成功研制了目前國際上超導(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)”，操縱的超導(dǎo)量子比特達(dá)到62個(gè)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了可編程的二維量子行走。日前，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表了該研究成果。
國際學(xué)術(shù)界研究量子計(jì)算有多條技術(shù)路線，超導(dǎo)量子計(jì)算是其中最有希望的候選者之一，其核心研究目標(biāo)是增加“可操縱”的量子比特?cái)?shù)量，并提升操縱的精度，最終應(yīng)用于實(shí)際問題。
中科大潘建偉、朱曉波、彭承志等人長期研究超導(dǎo)量子計(jì)算，先后實(shí)現(xiàn)了保真度達(dá)70％的12比特超導(dǎo)量子芯片、24個(gè)比特的高性能超導(dǎo)量子處理器等國際前沿成果。近期，他們?cè)谧灾餮兄贫S結(jié)構(gòu)超導(dǎo)量子比特芯片的基礎(chǔ)上，成功構(gòu)建了目前國際上超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)目最多、包含62個(gè)比特的可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”。
研究團(tuán)隊(duì)在二維結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)量子比特芯片上，觀察了單粒子及雙粒子激發(fā)情形下的量子行走現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)研究了二維平面上量子信息傳播速度，同時(shí)通過調(diào)制量子比特連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方式構(gòu)建馬赫—曾德爾干涉儀，實(shí)現(xiàn)了可編程的雙粒子量子行走。據(jù)了解，這是實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模量子模擬，甚至邁向通用量子計(jì)算的一條途徑。
該成果為在超導(dǎo)量子系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，以及后續(xù)研究具有重大實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。此外，基于“祖沖之號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)的二維可編程量子行走，在量子搜索算法、通用量子計(jì)算等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，也將是后續(xù)重要的發(fā)展方向。
量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)，可望通過特定算法在如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。當(dāng)前，量子計(jì)算機(jī)研制作為世界科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一，已經(jīng)成為歐美各發(fā)達(dá)國家競相角逐的焦點(diǎn)。超導(dǎo)量子計(jì)算，作為最有希望實(shí)現(xiàn)可拓展量子計(jì)算的候選者之一，其核心目標(biāo)是如何同步地增加所集成的量子比特?cái)?shù)目以及提升超導(dǎo)量子比特性能，從而能夠高精度相干操控更多的量子比特，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定問題處理速度上的指數(shù)加速，并最終應(yīng)用于實(shí)際問題中。
潘建偉、朱曉波、彭承志等長期瞄準(zhǔn)超導(dǎo)量子計(jì)算的上述核心目標(biāo)，取得了一系列重要進(jìn)展。2019年年初，在一維鏈結(jié)構(gòu)12比特超導(dǎo)量子芯片上實(shí)現(xiàn)了12個(gè)量子比特糾纏“簇態(tài)”的制備，保真度達(dá)到70％，打破了之前創(chuàng)造的10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏的紀(jì)錄。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地將超導(dǎo)量子比特應(yīng)用到量子行走的研究中,為未來多體物理現(xiàn)象的模擬以及利用量子行走進(jìn)行通用量子計(jì)算的研究奠定了基礎(chǔ)。隨后，團(tuán)隊(duì)將芯片結(jié)構(gòu)從一維擴(kuò)展到準(zhǔn)二維，制備出包含24個(gè)比特的高性能超導(dǎo)量子處理器，并首次在固態(tài)量子計(jì)算系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了超過20比特的高精度量子相干調(diào)控。
近期，該團(tuán)隊(duì)在自主研制二維結(jié)構(gòu)超導(dǎo)量子比特芯片的基礎(chǔ)上，成功構(gòu)建了國際上超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)目最多、包含62個(gè)比特的可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”，并在該系統(tǒng)上成功進(jìn)行了二維可編程量子行走的演示。據(jù)悉，這是目前公開報(bào)道的世界上最大量子比特?cái)?shù)的超導(dǎo)量子體系。該研究團(tuán)隊(duì)在二維結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)量子比特芯片上，觀察了單粒子及雙粒子激發(fā)情形下的量子行走現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)研究了二維平面上量子信息傳播速度，同時(shí)通過調(diào)制量子比特連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方式構(gòu)建馬赫-曾德爾干涉儀，實(shí)現(xiàn)了可編程的雙粒子量子行走。
據(jù)悉，中國科研團(tuán)隊(duì)國際上首次在固態(tài)量子計(jì)算系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)演示了可編程的二維量子行走，是一個(gè)重要的里程碑，為在超導(dǎo)量子系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性展示及可解決具有重大實(shí)用價(jià)值問題的量子計(jì)算研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。此外，基于“祖沖之號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)的二維可編程量子行走在量子搜索算法、通用量子計(jì)算等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。
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