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超導量子計算作為一種固態(tài)量子計算方案具有可擴展性好、量子比特相干時(shí)間長(cháng)、操作速度快、保真度高、加工工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)；而光學(xué)體系具有光子易于操縱、退相干很小、室溫下運行以及可用于長(cháng)距離通信等優(yōu)點(diǎn)，因此它們都是量子信息領(lǐng)域備受關(guān)注的物理實(shí)現平臺。
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中科大)潘建偉團隊研制出66比特的可編程超導量子計算原型機“祖沖之2.0”，在隨機線(xiàn)路采樣任務(wù)上實(shí)現了量子計算優(yōu)越性，所完成任務(wù)的難度比2019年谷歌“懸鈴木”高2—3個(gè)數量級。
與此同時(shí)，潘建偉團隊升級版“九章2.0”極大地提高了量子優(yōu)勢：對于高斯玻色采樣問(wèn)題，1年前的“九章”一分鐘可以完成的任務(wù)，世界上最強大的超級計算機需要花費億年時(shí)間；而“九章2.0”一分鐘完成的任務(wù)，超級計算機花費的時(shí)間要再增加百億倍。并且“九章2.0”還具有了部分可編程的能力。
“九章2.0”和“祖沖之2.0”的出現，使我國成為唯一在兩個(gè)物理體系中實(shí)現量子計算優(yōu)越性的國家。
實(shí)現量子計算優(yōu)越性的主賽道
量子計算強大的計算能力將給人類(lèi)社會(huì )帶來(lái)顛覆性的改變。然而，量子態(tài)脆弱而敏感，極易受到周?chē)h(huán)境噪聲的影響，在實(shí)際的物理體系中建造一臺量子比特數足夠多、操控保真度足夠高的量子計算機要面臨極大挑戰。
2012年，加州理工學(xué)院教授、物理學(xué)家約翰·裴士基(John Preskill)提出，在達成通用量子計算這一長(cháng)遠目標之前，應該再設立兩個(gè)階段性的里程碑，其中第一個(gè)就是量子計算優(yōu)越性。
最初科學(xué)家們用來(lái)展示量子計算優(yōu)越性的特定任務(wù)，一定是精心設計、非常適合量子計算設備發(fā)揮其計算潛力的任務(wù)。這個(gè)任務(wù)不一定有實(shí)際價(jià)值，而主要用來(lái)證實(shí)量子計算的巨大潛力，同時(shí)在技術(shù)和理論上，能夠為之后的發(fā)展鋪設道路。
科學(xué)家們正基于多種物理體系和途徑，利用不同體系的特性和優(yōu)勢來(lái)開(kāi)展量子計算研究。其中，超導量子計算作為一種固態(tài)量子計算方案具有可擴展性好、量子比特相干時(shí)間長(cháng)、操作速度快、保真度高、加工工藝成熟等眾多優(yōu)點(diǎn)；而光學(xué)體系具有光子易于操縱、退相干很小、室溫下運行以及可用于長(cháng)距離通信等優(yōu)點(diǎn)，因此它們都是量子信息領(lǐng)域備受關(guān)注的物理實(shí)現平臺。
目前階段，最可能用以演示量子計算優(yōu)越性的問(wèn)題包括隨機量子線(xiàn)路采樣、玻色采樣、IQP線(xiàn)路等。其中，隨機線(xiàn)路采樣任務(wù)則非常適合在二維結構的超導量子計算芯片上完成。
玻色采樣及其“變體”高斯玻色采樣任務(wù)，特別適合于光學(xué)體系。事實(shí)上，玻色采樣實(shí)驗是一項極富挑戰性的任務(wù)，對光子源、光學(xué)干涉儀、單光子探測器都提出了苛刻的要求。
幾大突破讓量子計算更快更強
“‘九章2.0’在計算規模和復雜度上都較‘九章’有了顯著(zhù)提升，極大地提高了之前的量子優(yōu)勢。”中科大陸朝陽(yáng)教授說(shuō)，與“九章”相比，“九章2.0”重點(diǎn)實(shí)現了三大突破。
首先，“九章”的總系統效率偏低，約為30%，其中一個(gè)主要損耗來(lái)自光源。受到激光原理的啟發(fā)，研究人員開(kāi)發(fā)了受激壓縮光源，可得到同時(shí)滿(mǎn)足高壓縮量、高純度和高收集效率的壓縮光源。
其次，高斯玻色采樣在許多領(lǐng)域有著(zhù)潛在的實(shí)際應用價(jià)值，可運用于量子化學(xué)、機器學(xué)習、圖優(yōu)化、制備量子糾錯碼等領(lǐng)域。但在當前的技術(shù)條件下，制備可編程、低損耗、足夠大規模的光學(xué)干涉儀，還存在巨大的挑戰。在高斯玻色采樣問(wèn)題上，執行運算的變換矩陣不僅與干涉儀有關(guān)，還與壓縮光的壓縮參數、相位有關(guān)。通過(guò)控制光源相位，“九章2.0”具備了部分可編程能力。相位可調的高斯玻色采樣已經(jīng)具備了一定的潛在應用能力，如果以后能再實(shí)現干涉儀可調，那么將在很多實(shí)際領(lǐng)域有用武之地。另外，“九章2.0”的干涉儀規模也從之前的100模式提升到了144模式。
最終，“九章2.0”實(shí)現了113光子、144模式的部分可編程高斯玻色采樣，將在高斯玻色采樣問(wèn)題上的量子優(yōu)越性，從經(jīng)典超算“太湖之光”的1014倍大幅提高到1024倍。同時(shí)，“九章2.0”輸出狀態(tài)空間的維數達到了1043量級，這使問(wèn)題的復雜度大大提升，更加難以被新的經(jīng)典算法模擬。
在超導量子體系中，構建大規模的量子比特陣列，并實(shí)現對每一個(gè)量子比特極高精度的相干操縱極其困難。
“祖沖之2.0”通過(guò)對其上56個(gè)量子比特進(jìn)行精微調控，在隨機線(xiàn)路采樣任務(wù)上實(shí)現了量子計算優(yōu)越性。這是目前公開(kāi)發(fā)表的最大量子比特數的超導量子體系，高于此前“祖沖之”的62量子比特和2019年谷歌“懸鈴木”的53量子比特。其重要升級首先是引入可調耦合器，使得處理器的單比特門(mén)保真度和兩比特門(mén)保真度得到極大提升；其次采用倒裝焊封裝技術(shù)，解決二維排布量子芯片上的布線(xiàn)問(wèn)題，極大減小信號串擾。
經(jīng)過(guò)升級，整個(gè)處理器的綜合計算性能達到展示量子優(yōu)越性的門(mén)檻。T1壽命是衡量量子比特退相干的一個(gè)重要指標，更長(cháng)的T1壽命意味著(zhù)可以對量子比特進(jìn)行更多的相干操作，完成更復雜的計算任務(wù)。“祖沖之2.0”芯片上的所有組件都能正常工作，66個(gè)比特的平均T1壽命達到31微秒，高于“懸鈴木”的16微秒。
五個(gè)候選方案正在競爭
圍繞量子計算的一大熱點(diǎn)問(wèn)題，是哪種技術(shù)路徑將最終贏(yíng)得比賽。目前，主要有五個(gè)經(jīng)過(guò)充分論證的候選方案正在競爭：超導、離子阱、光量子、半導體量子點(diǎn)和冷原子。所有這些方案都是在20世紀90年代開(kāi)創(chuàng )性的物理實(shí)驗和實(shí)現中開(kāi)發(fā)提出的。
超導量子計算機方案是目前國際上進(jìn)展最快的方案，擁有最多的技術(shù)追隨者，IBM和谷歌憑借其深厚的技術(shù)積累和雄厚的資金實(shí)力在該領(lǐng)域發(fā)展迅猛。與國外相比，中國在量子計算各路線(xiàn)的進(jìn)展中，超導量子計算的實(shí)驗雖然起步較晚，但表現強勢。長(cháng)遠來(lái)看，該條技術(shù)路線(xiàn)在未來(lái)較易實(shí)現規?；?。
離子阱技術(shù)路線(xiàn)的優(yōu)勢在于相干性好，可糾纏量子比特數目多，邏輯門(mén)保真度高。離子阱系統是美國政府資助最多的兩個(gè)量子計算研究方向之一，另一個(gè)是超導系統。除量子計算機以外，其還被廣泛應用于量子化學(xué)、相對論量子力學(xué)、量子熱力學(xué)等領(lǐng)域的量子模擬研究。離子阱量子計算至今已發(fā)展20余年，與超導量子計算的發(fā)展旗鼓相當。國際上，霍尼韋爾、IonQ和AQT在離子阱量子計算機的商業(yè)化方面進(jìn)展較快。但國內對于離子阱量子計算機的實(shí)驗研究只有不到十年的時(shí)間。
我國在光量子計算的研究中處于國際領(lǐng)先水平。光量子是除超導量子和離子阱之外研究進(jìn)展較快的技術(shù)路線(xiàn)，國際上，Xanadu和PsiQuantum是兩家發(fā)展較好的光量子計算機研制廠(chǎng)商。
由于半導體量子點(diǎn)計算機結合了當前的半導體工業(yè)技術(shù)，未來(lái)可以快速實(shí)現產(chǎn)業(yè)化，同時(shí)由于半導體量子比特體積較小，較超導技術(shù)路線(xiàn)和光量子技術(shù)路線(xiàn)而言更容易實(shí)現芯片化。但當前半導體量子比特的數量較少，且相干性較弱。國際上，美國英特爾、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)和Qutech、澳大利亞SQC公司、日本理化學(xué)研究所(RIKEN)從事硅自旋量子比特方面的研發(fā)。
值得欣喜的是，中科大郭光燦院士團隊在硅基半導體鍺納米線(xiàn)量子芯片研究中取得了重要進(jìn)展。由該團隊郭國平教授領(lǐng)銜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。
冷原子技術(shù)路線(xiàn)在進(jìn)行量子模擬方面具有明顯優(yōu)勢。國際上，法國的PASQA研究團隊在2011年就開(kāi)始建造由中性原子陣列制成的可編程量子模擬器。雖然我國在這一方面有所布局，但整體上參與的單位較少，研究時(shí)間也較短。
理論研究證明，針對一些任務(wù)，量子計算能比經(jīng)典算法更快速、有效地完成任務(wù)。目前物理學(xué)界普遍的共識是，量子計算機不可能完全取代經(jīng)典計算機，但在某些有特定難度的問(wèn)題上將會(huì )取代經(jīng)典計算機。
編輯：薛姣
