(本文經合作夥伴 大數據文摘 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為〈潘建伟团队最新成果,“祖冲之号”实现5万多倍的量子优越性,反超谷歌!〉。)

【為什麼我們要挑選這篇文章】除了 Google、IBM 之外,中國也投注大量心力研究量子電腦。近期中國科學技術大學發表論文,表示量子電腦「祖沖之號」實現量子霸權,量子位元數還超越先前 Google 的量子電腦 Google Sycamore。有中國專家表示,祖沖之號在位元數、門保真度和相干時間上都超越 Google,可名列量子電腦 Top 3。雖然目前的量子電腦都還在實驗室階段,但這也顯示中國在量子領域的實力,在未來,量子運算或許也會是美中爭霸的態勢。(責任編輯:郭家宏)

最近,根據報導,日本超級電腦「富岳」在 TOP500、HPCG、HPL-AI、Graph500 四大榜單中連續三期排名世界第一。

至於中國,量子運算領域新將「祖沖之號」也有著不俗表現。

繼 5 月初登上 Science 後,中科大(中國科學技術大學)中科院(中國科學院)量子信息與量子科技創新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊所研發的「祖沖之號」超導量子運算系統再次實現突破。

6 月 28 日,在這篇名為《利用超導量子處理器實現量子計算優越性》的文章中,中科大團隊宣稱,使用「祖沖之號」超導量子運算系統中的 56 個 qubit,實現了比當年 Google Sycamore 處理器 53 個 qubit 強 2 – 3 個數量級的量子霸權。

文章還指出,「祖沖之號」將現存功能最強大的超級電腦需 8 年完成的任務樣本壓縮至最短 1.2 小時完成,從而證明了量子運算的巨大優越性。

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祖沖之號在量子位元數、門保真度和相干時間上優於 Google

首先,我們來解決一個問題,量子位元數量最多意味著什麼。

引用一下中國科學院科學傳播研究中心副主任袁嵐峰的說法,「首先它實現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,它可以實現通用量子運算。也就是說,量子運算能夠實現的任何功能和計算任務都可以透過這樣一種方式來實現。」

回到論文,如下圖所示,可以看到,當量子位為數隻有 15 個的時候,運行 10 個循環,總的操控保真度控制在 20 – 30% 之間。

相較於 Google Sycamore,當量子位元數目只有 12 個左右的時候,運行 14 個循環,總的操控保真度不到 40%。

對於操控保真度來說,如果低於 50%,那就相當於錯誤比正確多。因此在這個意義上,祖沖之號的確要優於 Sycamore。

同時,祖沖之號實現了平均 99.86% 的高保真度單量子位元門,和平均 99.41% 的雙量子位元門,以及 95.48% 的輸出。

根據知乎用戶國產小慄旬的整理,從 5 個維度對世界上最頂尖的可編程量子電腦進行了橫向對比,並表示,「祖沖之號排進世界 Top 3 絶對沒有問題。」

在位元數、門保真度和相干時間上,祖沖之號都超過了 Google 目前已發表的水準。

「單看這三個指標,基本可以宣佈朱老師的超導系統是當之無愧的中國 Top 1,在世界上甚至可以排進 Top 3,直接對標 Google、IBM 這些工業巨頭的量子電腦。」

列表中的數據基於已發表的論文和帶有詳細參數的官方通稿。IONQ QV 400 萬系統由於沒有給出詳細參數所以未被列入其中,九章由於暫時不可編程所以未被列入其中,量子點體系由於 qubit 數目暫時比較少所以未被列入其中。

對於祖沖之號的命名,研究團隊共同通訊作者、中國科學技術大學上海研究院教授朱曉波表示,這是為了紀念中國傑出的數學家祖沖之。祖沖之首次將圓周率精算到小數第七位,他提出的「祖率」對數學研究有重大貢獻。

在大尺度晶格上,祖沖之號首次實現量子行走的實驗觀測

其實,早在 5 月,潘建偉團隊就已經研製出了全球超導量子位元數量最多的量子電腦原型機祖沖之號,這也宣告著全球最大量子位員數的超導量子體系的誕生。

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 上發表。

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量子行走是古典隨機行走的量子力學模擬,是實現量子模擬、量子搜尋演算法,甚至通用量子運算極為強大的工具。

祖沖之號可操縱的超導量子位元多達 62 個,超越此前 Google 實現量子霸權的 Sycamore 的 53 個量子位元。研究團隊在大尺度晶格上首次實現了量子行走的實驗觀測,並實現對量子行走構型的精準調控,構建了可編程的雙粒子量子行走。

正如論文寫到:「我們設計和製造了一個由 62 個功能性量子位元組成的 8 x 8 二維方形超導量子位陣列。我們使用該設備演示了高保真單粒子和兩個粒子的量子步態。」

但朱曉波教授也曾在多個公開場合就特別說明,不能以數量多來判斷量子電腦的性能,還需要考慮量子位元的品質、操控情況等。

二維超導量子位元晶片示意圖,每個橘色十字代表一個量子位元。

由於量子處理器的高度可編程性,研究者還研製出 Mach-Zehnder 干涉儀。「透過調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,「我們的工作是該領域的重要里程碑,使未來的大規模量子應用更接近在這些嘈雜的中型量子處理器上實現。」

對此中國網友們也是表達了自己的驚訝和讚歎。

知乎網友 Golden Horqin 就表示,「作為國內的半個同行,考慮到這篇文章背後的技術——立體封裝、可調耦合、高質量超導量子比特,也是由衷非常欽佩的。國內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。」

知乎匿名用戶甚至把科大和 Google 的比拚視為「俠客過招」,「谷歌先出招,科大先用自己國際領先的光量子抵擋了一招,然後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原創,一路領先。祖沖之號讓人激動的是,中國趕超水平令人驚嘆。」

知乎網友國產小慄旬感嘆道:

「朱老師從剛來到中科大到現在也才不過五六年的時間,卻走完了 Google Quantum Lab 原老闆 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 的人數和不足 1/10 的經費的條件下,仍然能做到超越 Google 的水平。」

(本文經合作夥伴 大數據文摘 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為〈潘建伟团队最新成果,“祖冲之号”实现5万多倍的量子优越性,反超谷歌!〉。首圖來源:Shutterstock

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