近日，在未發(fā)表的預(yù)印本中，潘建偉團(tuán)隊(duì)在「祖沖之號(hào)」量子計(jì)算原型機(jī)上使用56比特展示了量子計(jì)算優(yōu)越性，比當(dāng)年谷歌53個(gè)比特強(qiáng) 2-3 個(gè)數(shù)量級(jí)。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)在量子領(lǐng)域取得了最新成果。

在發(fā)表的論文 Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor 中，中科大團(tuán)隊(duì)在「祖沖之號(hào)」量子計(jì)算原型機(jī)上展示了量子計(jì)算優(yōu)越性。

論文地址：https://arxiv.org/pdf/2106.14734.pdf

目前該論文是arXiv預(yù)印本，還未正式發(fā)表。

對(duì)標(biāo)谷歌「量子霸權(quán)」

2019年，谷歌首次使用53量子比特的量子處理器展示了量子優(yōu)越性。

不同于之前的「九章」光量子平臺(tái)計(jì)算機(jī)，最新可編程超導(dǎo)量子系統(tǒng)對(duì)標(biāo)2019年下半年谷歌第一次實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的工作。

那么，此次在超導(dǎo)體系上實(shí)現(xiàn)的量子優(yōu)越性與谷歌實(shí)現(xiàn)的有何不同？

為了表征整個(gè)系統(tǒng)的性能，團(tuán)隊(duì)運(yùn)行了隨機(jī)量子線(xiàn)路采樣的基準(zhǔn)測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)規(guī)模最高可達(dá)56量子比特和20個(gè)周期。

56量子比特隨機(jī)量子線(xiàn)路采樣

據(jù)團(tuán)隊(duì)估計(jì)，這項(xiàng)任務(wù)的經(jīng)典模擬的計(jì)算成本，要比當(dāng)年谷歌 Sycamore 處理器 53 個(gè) qubit 強(qiáng) 2-3 個(gè)數(shù)量級(jí)的量子優(yōu)越性。

「祖沖之號(hào)」將現(xiàn)存功能最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)需 8 年完成的任務(wù)樣本壓縮至最短 1.2 小時(shí)完成，從而證明了量子計(jì)算的巨大優(yōu)越性。

「祖沖之號(hào)」器件示意圖

當(dāng)年谷歌證明的是，對(duì)一個(gè)53量子比特20個(gè)cycle的電路采樣一百萬(wàn)次，量子計(jì)算機(jī)需要200秒的時(shí)間，用目前人類(lèi)最強(qiáng)的經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)則需要一萬(wàn)年的時(shí)間。

另外，兩個(gè)芯片在對(duì)這些量子比特進(jìn)行操作和讀取時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤的概率相比如何？

通過(guò)數(shù)據(jù)的比較，可以看出兩者的性能較為接近，代表著國(guó)際領(lǐng)先水平。

基于以上，中科大研究團(tuán)隊(duì)此次的工作，展現(xiàn)了一個(gè)明確的量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)，這是經(jīng)典計(jì)算在合理時(shí)間范圍內(nèi)無(wú)法完成的。

結(jié)果顯示，「祖沖之號(hào)」實(shí)現(xiàn)了平均99.86%的高保真度單量子比特門(mén)，和平均99.41%的雙量子比特門(mén)，以及平均95.48%的讀出。同時(shí)，對(duì)多個(gè)量子比特進(jìn)行同步門(mén)操作。

量子行走

同樣在一個(gè)月前，潘建偉團(tuán)隊(duì)在science上發(fā)表了一篇成功研制了62比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)「祖沖之號(hào)」，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了可編程的二維量子行走。

量子行走（Quantum walk，QW）是經(jīng)典隨機(jī)行走在量子力學(xué)中的拓展，區(qū)別于經(jīng)典隨機(jī)行走，由于量子具有疊加態(tài)的特性，粒子在格點(diǎn)中行走的特性需要用量子力學(xué)的波函數(shù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律來(lái)詮釋。

量子行走本身可以模擬多體物理體系的量子行為，理論上最終可用于通用量子計(jì)算。

該論文使用一個(gè)8*8的二維超導(dǎo)量子比特方格，其中包含62個(gè)功能量子比特，以顯示多個(gè)（兩個(gè)）量子行走如何穿越二維量子比特陣列，并在過(guò)程中進(jìn)行干擾。

超導(dǎo)量子處理器的布局與結(jié)構(gòu)

作者還能夠?qū)α孔铀裱穆窂竭M(jìn)行編程，展示了一個(gè)馬赫－曾德?tīng)枺∕Z）干涉儀，其中單個(gè)或多個(gè)量子行走者在干涉和退出一個(gè)端口之前連貫地穿越兩條路徑。

結(jié)果展示了基于超導(dǎo)的量子處理器在模擬大規(guī)模量子系統(tǒng)方面的潛力。

「紅專(zhuān)并進(jìn)，理實(shí)交融」是中科大的校訓(xùn)，潘建偉等人的研究團(tuán)隊(duì)近日發(fā)表的文章，展示了我國(guó)目前在量子計(jì)算領(lǐng)域的最新成果，同時(shí)也是一份獻(xiàn)給黨百年華誕的賀禮。

在國(guó)際紛爭(zhēng)的大環(huán)境下，希望我國(guó)有更多不同領(lǐng)域的科研團(tuán)隊(duì)，繼續(xù)埋頭苦干，在更多領(lǐng)域取得重大新進(jìn)展。

參考資料：

http://www.zhihu.com/question/468741820

https://www.zhihu.com/question/468741820/answer/1971268726

http://www.360doc.com/showweb/0/0/984615640.aspx

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