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“九章”“祖冲之”双升级 量子计算的未来来了吗

文章来源:科技日报发表时间:2021-11-02 16:16点击量:
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  超导量子计算作为一种固态量子计算方案具有可扩展性好、量子比特相干时间长、操作速度快、保真度高、加工工艺成熟等优点;而光学体系具有光子易于操纵、退相干很小、室温下运行以及可用于长距离通信等优点,因此它们都是量子信息领域备受关注的物理实现平台。

  近日,中国科学技术大学(以下简称中科大)潘建伟团队研制出66比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之2.0”,在随机线路采样任务上实现了量子计算优越性,所完成任务的难度比2019年谷歌“悬铃木”高2—3个数量级。

  与此同时,潘建伟团队升级版“九章2.0”极大地提高了量子优势:对于高斯玻色采样问题,1年前的“九章”一分钟可以完成的任务,世界上最强大的超级计算机需要花费亿年时间;而“九章2.0”一分钟完成的任务,超级计算机花费的时间要再增加百亿倍。并且“九章2.0”还具有了部分可编程的能力。

  “九章2.0”和“祖冲之2.0”的出现,使我国成为唯一在两个物理体系中实现量子计算优越性的国家。

  实现量子计算优越性的主赛道

  量子计算强大的计算能力将给人类社会带来颠覆性的改变。然而,量子态脆弱而敏感,极易受到周围环境噪声的影响,在实际的物理体系中建造一台量子比特数足够多、操控保真度足够高的量子计算机要面临极大挑战。

  2012年,加州理工学院教授、物理学家约翰·裴士基(John Preskill)提出,在达成通用量子计算这一长远目标之前,应该再设立两个阶段性的里程碑,其中第一个就是量子计算优越性。

  最初科学家们用来展示量子计算优越性的特定任务,一定是精心设计、非常适合量子计算设备发挥其计算潜力的任务。这个任务不一定有实际价值,而主要用来证实量子计算的巨大潜力,同时在技术和理论上,能够为之后的发展铺设道路。

  科学家们正基于多种物理体系和途径,利用不同体系的特性和优势来开展量子计算研究。其中,超导量子计算作为一种固态量子计算方案具有可扩展性好、量子比特相干时间长、操作速度快、保真度高、加工工艺成熟等众多优点;而光学体系具有光子易于操纵、退相干很小、室温下运行以及可用于长距离通信等优点,因此它们都是量子信息领域备受关注的物理实现平台。

  目前阶段,最可能用以演示量子计算优越性的问题包括随机量子线路采样、玻色采样、IQP线路等。其中,随机线路采样任务则非常适合在二维结构的超导量子计算芯片上完成。

  玻色采样及其“变体”高斯玻色采样任务,特别适合于光学体系。事实上,玻色采样实验是一项极富挑战性的任务,对光子源、光学干涉仪、单光子探测器都提出了苛刻的要求。

  几大突破让量子计算更快更强

  “‘九章2.0’在计算规模和复杂度上都较‘九章’有了显著提升,极大地提高了之前的量子优势。”中科大陆朝阳教授说,与“九章”相比,“九章2.0”重点实现了三大突破。

  首先,“九章”的总系统效率偏低,约为30%,其中一个主要损耗来自光源。受到激光原理的启发,研究人员开发了受激压缩光源,可得到同时满足高压缩量、高纯度和高收集效率的压缩光源。

  其次,高斯玻色采样在许多领域有着潜在的实际应用价值,可运用于量子化学、机器学习、图优化、制备量子纠错码等领域。但在当前的技术条件下,制备可编程、低损耗、足够大规模的光学干涉仪,还存在巨大的挑战。在高斯玻色采样问题上,执行运算的变换矩阵不仅与干涉仪有关,还与压缩光的压缩参数、相位有关。通过控制光源相位,“九章2.0”具备了部分可编程能力。相位可调的高斯玻色采样已经具备了一定的潜在应用能力,如果以后能再实现干涉仪可调,那么将在很多实际领域有用武之地。另外,“九章2.0”的干涉仪规模也从之前的100模式提升到了144模式。

  最终,“九章2.0”实现了113光子、144模式的部分可编程高斯玻色采样,将在高斯玻色采样问题上的量子优越性,从经典超算“太湖之光”的1014倍大幅提高到1024倍。同时,“九章2.0”输出状态空间的维数达到了1043量级,这使问题的复杂度大大提升,更加难以被新的经典算法模拟。

  在超导量子体系中,构建大规模的量子比特阵列,并实现对每一个量子比特极高精度的相干操纵极其困难。

  “祖冲之2.0”通过对其上56个量子比特进行精微调控,在随机线路采样任务上实现了量子计算优越性。这是目前公开发表的最大量子比特数的超导量子体系,高于此前“祖冲之”的62量子比特和2019年谷歌“悬铃木”的53量子比特。其重要升级首先是引入可调耦合器,使得处理器的单比特门保真度和两比特门保真度得到极大提升;其次采用倒装焊封装技术,解决二维排布量子芯片上的布线问题,极大减小信号串扰。

  经过升级,整个处理器的综合计算性能达到展示量子优越性的门槛。T1寿命是衡量量子比特退相干的一个重要指标,更长的T1寿命意味着可以对量子比特进行更多的相干操作,完成更复杂的计算任务。“祖冲之2.0”芯片上的所有组件都能正常工作,66个比特的平均T1寿命达到31微秒,高于“悬铃木”的16微秒。

  五个候选方案正在竞争

  围绕量子计算的一大热点问题,是哪种技术路径将最终赢得比赛。目前,主要有五个经过充分论证的候选方案正在竞争:超导、离子阱、光量子、半导体量子点和冷原子。所有这些方案都是在20世纪90年代开创性的物理实验和实现中开发提出的。

  超导量子计算机方案是目前国际上进展最快的方案,拥有最多的技术追随者,IBM和谷歌凭借其深厚的技术积累和雄厚的资金实力在该领域发展迅猛。与国外相比,中国在量子计算各路线的进展中,超导量子计算的实验虽然起步较晚,但表现强势。长远来看,该条技术路线在未来较易实现规模化。

  离子阱技术路线的优势在于相干性好,可纠缠量子比特数目多,逻辑门保真度高。离子阱系统是美国政府资助最多的两个量子计算研究方向之一,另一个是超导系统。除量子计算机以外,其还被广泛应用于量子化学、相对论量子力学、量子热力学等领域的量子模拟研究。离子阱量子计算至今已发展20余年,与超导量子计算的发展旗鼓相当。国际上,霍尼韦尔、IonQ和AQT在离子阱量子计算机的商业化方面进展较快。但国内对于离子阱量子计算机的实验研究只有不到十年的时间。

  我国在光量子计算的研究中处于国际领先水平。光量子是除超导量子和离子阱之外研究进展较快的技术路线,国际上,Xanadu和PsiQuantum是两家发展较好的光量子计算机研制厂商。

  由于半导体量子点计算机结合了当前的半导体工业技术,未来可以快速实现产业化,同时由于半导体量子比特体积较小,较超导技术路线和光量子技术路线而言更容易实现芯片化。但当前半导体量子比特的数量较少,且相干性较弱。国际上,美国英特尔、荷兰代尔夫特理工大学和Qutech、澳大利亚SQC公司、日本理化学研究所(RIKEN)从事硅自旋量子比特方面的研发。

  值得欣喜的是,中科大郭光灿院士团队在硅基半导体锗纳米线量子芯片研究中取得了重要进展。由该团队郭国平教授领衔的本源量子公司已推出第二代硅基自旋二比特量子芯片——玄微XWS2-200。

  冷原子技术路线在进行量子模拟方面具有明显优势。国际上,法国的PASQA研究团队在2011年就开始建造由中性原子阵列制成的可编程量子模拟器。虽然我国在这一方面有所布局,但整体上参与的单位较少,研究时间也较短。

  理论研究证明,针对一些任务,量子计算能比经典算法更快速、有效地完成任务。目前物理学界普遍的共识是,量子计算机不可能完全取代经典计算机,但在某些有特定难度的问题上将会取代经典计算机。