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潘建偉團(tuán)隊(duì)宣稱又一次實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算優(yōu)越性”！

世界最強(qiáng)的超級計(jì)算機(jī)8年才能完成的任務(wù)，用“祖沖之號”量子計(jì)算機(jī)最短1.2個(gè)小時(shí)就能實(shí)現(xiàn)。

這距離我國2020年12月4日首次實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性，僅僅過去了7個(gè)月。

這項(xiàng)工作由潘建偉、朱曉波、彭承志帶隊(duì)完成，相關(guān)論文預(yù)印版已上傳至arXiv上。

這次的“祖沖之號”與當(dāng)年谷歌宣稱實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的Sycamore量子計(jì)算機(jī)，都采用了超導(dǎo)量子計(jì)算。

這是目前最有希望實(shí)現(xiàn)可拓展量子計(jì)算的候選者之一。

其核心目標(biāo)是如何同步地增加所集成的量子比特?cái)?shù)目以及提升超導(dǎo)量子比特性能，從而能夠高精度相干操控更多的量子比特，實(shí)現(xiàn)對特定問題處理速度上的指數(shù)加速。

總而言之就是一個(gè)字——快。

“祖沖之號”使用56個(gè)量子比特，就比Google Sycamore量子計(jì)算機(jī)53個(gè)量子比特強(qiáng)2~3個(gè)數(shù)量級的量子優(yōu)越性。

所以論文以“Strong quantum computational advantage”為題，代表更能證明量子計(jì)算的優(yōu)越性。

此外，此次“祖沖之號”可以稱得上是2.0版本，在量子相干時(shí)間等方面都有了很大的提升。

祖沖之號

祖沖之號于今年5月剛剛研制成功，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)編程的二維量子行走，論文發(fā)表在當(dāng)月Nature上。

這次祖沖之號所用的量子處理器由66個(gè)Transmon量子比特組成，比5月剛研制成功時(shí)又增加了4個(gè)。

這些量子比特排列成11*6的晶格。

Transmon本質(zhì)上是一種非線性振蕩器，其非線性來源于超導(dǎo)約瑟夫效應(yīng)。非線性振蕩器的最低兩個(gè)能級被挑出來，就形成一個(gè)量子比特。

兩個(gè)量子比特之間由一個(gè)頻率更高的Transmon連接作為耦合器，可以快速調(diào)整相鄰的量子比特之間的耦合強(qiáng)度。

這樣的量子處理器的實(shí)現(xiàn)了高保真的單量子比特門（保真度平均99.86%）和雙量子比特門（平均99.41%），以及95.48%的讀出。

為了驗(yàn)證量子處理器的性能，團(tuán)隊(duì)選取了其中的56個(gè)量子比特進(jìn)行20個(gè)周期的隨機(jī)量子電路采樣任務(wù)，創(chuàng)造了挑戰(zhàn)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的新紀(jì)錄。

量子計(jì)算全球競爭激烈

值得一提的是，在中科大發(fā)布此次成果后的第二天，IBM也宣布了在量子領(lǐng)域的下一步計(jì)劃。

他們宣布，將在2023年之前建立一個(gè)有1211個(gè)量子比特的系統(tǒng)；未來將向100萬以上量子比特的系統(tǒng)發(fā)起挑戰(zhàn)。

全球量子計(jì)算領(lǐng)域的激烈競爭，可見一斑。

2019年，谷歌最早宣布實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

他們宣稱，利用Sycamore量子計(jì)算機(jī)的53個(gè)量子比特，可以在200秒內(nèi)處理世界超算1萬年才能完成的任務(wù)。

不過這一結(jié)論很快遭到了IBM研究人員的質(zhì)疑，并在arXiv上刊出了他們的成果。

IBM在文章中指出，利用他們的方法，經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)可以在2.5天內(nèi)以更高的保真度完成相同的計(jì)算任務(wù)。

2020年12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)發(fā)布使用76個(gè)光子的量子計(jì)算機(jī)“九章”，并宣布實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性。

由此，我國成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。

不過，“九章”量子計(jì)算機(jī)目前還不能通用于玻色采樣以外的其他計(jì)算，不具備通用性。“祖沖之號”所應(yīng)用的超導(dǎo)量子計(jì)算更有希望在實(shí)際中應(yīng)用。

近年來，谷歌、IBM等公司紛紛對外宣稱成功開發(fā)出了大數(shù)量（50以上）量子比特的量子計(jì)算原型機(jī)。

但實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)不僅僅是量子比特?cái)?shù)量，還有系統(tǒng)的保真度。

隨著量子比特?cái)?shù)量和循環(huán)次數(shù)的增加，保真度都會(huì)急劇下降，錯(cuò)誤率會(huì)相應(yīng)上升。

因此，量子計(jì)算機(jī)距離走向?qū)嶋H應(yīng)用，目前還比較遙遠(yuǎn)。

值得一提的是，就在最近潘建偉團(tuán)隊(duì)還有另一項(xiàng)研究成果發(fā)表。

研究出了迄今為止最快的實(shí)時(shí)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（QRNG），速度達(dá)18.8Gb。

其尺寸只有15.6×18.0毫米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大多數(shù)QNRG模塊或儀器。

目前，這項(xiàng)成果已發(fā)表在《應(yīng)用物理快報(bào)》上。

本次論文：
https://arxiv.org/abs/2106.14734

祖沖之號論文：
https://science.sciencemag.org/content/372/6545/948