潘建偉團隊最新成果，“祖沖之號”實現(xiàn)5萬多倍的量子優(yōu)越性，反超谷歌！

最近，根據(jù)報道，日本超級計算機“富岳”在“TOP500”、“HPCG”、“HPL-AI”、“Graph500”四大榜單中連續(xù)三期排名世界第一。

反觀國內(nèi)，量子計算領(lǐng)域新將“祖沖之號”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隊所研發(fā)的“祖沖之號”超導(dǎo)量子計算系統(tǒng)再次實現(xiàn)突破。

6月28日，在這篇名為《利用超導(dǎo)量子處理器實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性》的文章中，中科大團隊宣稱，使用“祖沖之號”超導(dǎo)量子計算系統(tǒng)中的56個qubit，實現(xiàn)了比當(dāng)年谷歌Sycamore處理器53個qubit強2~3個數(shù)量級的量子優(yōu)越性。

文章還指出，“祖沖之號”將現(xiàn)存功能最強大的超級計算機需8年完成的任務(wù)樣本壓縮至最短1.2小時完成，從而證明了量子計算的巨大優(yōu)越性。

論文鏈接：

https://arxiv.org/abs/2106.14734

“祖沖之號”實現(xiàn)了優(yōu)于谷歌的量子優(yōu)越性

首先，我們來解決一個問題，量子比特數(shù)量最多意味著什么。

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

回到論文，如下圖所示，可以看到，當(dāng)量子比特數(shù)只有15個的時候，運行10個循環(huán)，總的操控保真度控制在20-30%之間。

相較于谷歌Sycamore，當(dāng)量子比特數(shù)目只有12個左右的時候，運行14個循環(huán)，總的操控保真度不到40%。

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

同時，“祖沖之號”實現(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)知乎用戶國產(chǎn)小栗旬的整理，從5個維度對世界上最頂尖的可編程量子計算機進行了橫向?qū)Ρ龋⒈硎荆白鏇_之號排進世界Top3絕對沒有問題”。

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

“單看這三個指標(biāo)，基本可以宣布朱老師的超導(dǎo)系統(tǒng)是當(dāng)之無愧的國內(nèi)Top1，在世界上甚至可以排進Top3，直接對標(biāo)谷歌、IBM這些工業(yè)巨頭的量子計算機。”

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，九章由于暫時不可編程所以未被列入其中，量子點體系由于qubit數(shù)目暫時比較少所以未被列入其中。

對于“祖沖之號”的命名，研究團隊共同通訊作者、中國科學(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”對數(shù)學(xué)研究有重大貢獻。

在大尺度晶格上首次實現(xiàn)量子行走的實驗觀測

其實，早在5月，潘建偉團隊就已經(jīng)研制出了全球超導(dǎo)量子比特數(shù)量最多的量子計算原型機“祖沖之號”，這也宣告著全球最大量子比特數(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)典隨機行走的量子力學(xué)模擬，是實現(xiàn)量子模擬、量子搜索算法甚至通用量子計算極為強大的工具。

“祖沖之號”可操縱的超導(dǎo)量子比特多達62個，而此前谷歌實現(xiàn) “量子優(yōu)越” 的Sycamore的53個量子比特。研究團隊在大尺度晶格上首次實現(xiàn)了量子行走的實驗觀測，并實現(xiàn)對量子行走構(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：“我們設(shè)計和制造了一個由62個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粒子的量子步態(tài)。”

但朱曉波教授也曾在多個公開場合就特別說明，不能以數(shù)量多來判斷量子計算機的性能，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, 每個橘色十字代表一個量子比特。

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。“通過調(diào)整進化路徑上的障礙，我們觀察到了單行和雙行的干擾條紋，”研究團隊在論文中寫道，“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現(xiàn)”。

網(wǎng)友：中國趕超水平令人驚嘆

對此網(wǎng)友們也是表達了自己的驚訝和贊嘆。

知乎網(wǎng)友Golden Horqin就表示，“作為國內(nèi)的半個同行，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。國內(nèi)其他同行可能倍感壓力吧，他們和潘院士團隊的距離也許比潘院士團隊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，科大先用自己國際領(lǐng)先的光量子抵擋了一招，然后再用對手的一模一樣的招，以其人之道還制其人之身”。

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

知乎網(wǎng)友國產(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間，卻走完了Google Quantum Lab原老板John Martinis十多年的路。朱老師團隊在不到 Google 1/2的時間，不足1/2的人數(shù)和不足1/10的經(jīng)費的條件下，仍然能做到超越Google的水平。

正值中國共產(chǎn)黨建黨100周年紀(jì)念，“祖沖之號”的進步無疑是中國的驕傲，也希望能順著這股勢頭，國內(nèi)可以涌現(xiàn)更多強大的科研團隊，在不同的領(lǐng)域各自開花散葉。