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中國科學技術(shù)大學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隊與中科院上海技術(shù)物理研究所合作，構(gòu)建了66比特可編程超導量子計算原型機“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，計算復雜度比谷歌公開報道的53比特超導量子計算原型機“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)論文發(fā)表在《物理評論快報》和《科學通報》上。

圖一：祖沖之二號量子處理器圖

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。超導量子比特是國際公認的有望實現(xiàn)可擴展量子計算的物理體系之一。潘建偉、朱曉波、彭承志等長期瞄準超導量子計算領(lǐng)域，于2021年5月構(gòu)建了當時國際上量子比特數(shù)目最多的62比特超導量子計算原型機“祖沖之號”，并實現(xiàn)了可編程的二維量子行走 [Science 372, 948 (2021)]。

團隊在“祖沖之號”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。“祖沖之二號”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，預期應(yīng)用包括量子機器學習、量子化學、量子近似優(yōu)化等。

圖二：量子隨機線路取樣保真度隨線路深度的變化及目前最快的超級計算機“富岳”完成相同任務(wù)需要的時間。

上述項目受到了安徽省、上海市、科技部和中科院的支持。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180501

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927321006733