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科普

1500多年前,祖冲之将“圆周率”精算到3.1415926和3.1415927之间。

1500多年后,新“祖冲之”不仅是目前国际上超导量子比特数最多的量子计算原型机,还在此基础上完成了可编程的二维量子行走。

今天的这位“祖冲之”是由中科大潘建伟团队研制的量子计算原型机。与千年前中国科学家在圆周率上的领先一样,“祖冲之号”再次让中国走在了量子计算机的前沿。

一步一个台阶

量子计算机是全球科技前沿的重大挑战之一,也是世界各国角逐的焦点。超导量子计算已成为最具希望的候选者之一,它的核心目标是增加 “可操纵” 的量子比特数量,通过提升操纵精度来实现落地应用。

潘建伟团队长期瞄准超导量子计算的核心目标,取得了一系列重要进展。2019年初,在一维链结构12比特超导量子芯片上实现了12个量子比特纠缠“簇态”的制备,保真度达到70%,打破了之前创造的10个超导量子比特纠缠的纪录。

随后,科研团队将芯片结构从一维扩展到准二维,制备出包含24个比特的高性能超导量子处理器,并首次在固态量子计算系统中,实现了超过20比特的高精度量子相干调控。

在自主研制二维结构超导量子比特芯片的基础上,包含62个比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”最终面世。

尚未实现“量子优越”

不过“祖冲之号”仍在科学实验阶段,仅演示了系统功能,尚未实现所谓的“量子优越”。研究团队共同通讯作者、中国科学技术大学上海研究院教授朱晓波表示,目前团队正在开展相关工作,以实现“量子优越性”。

2019年9月,美国谷歌公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木”,对一个数学算法的计算只需200秒,并宣称相较于当时世界最快的超级计算机“顶峰”实现了“量子优越性”。

一位量子计算领域专家表示:“‘祖冲之号’和‘悬铃木’都是使用了超导量子比特,但是‘祖冲之号’执行的任务是相对简单的,对于操纵精度等要求仍然低于‘悬铃木’。”

实现可编程二维量子行走

随机行走指行走者在特定路线或区域无规律移动,如扩散等物理现象,发生在经典物理体系中的称为经典随机行走。量子行走是经典随机行走在量子力学中的拓展,区别于经典随机行走,由于量子具有叠加态的特性,粒子在格点中行走的特性需要用量子力学的波函数统计规律来诠释。量子行走本身可以模拟多体物理体系的量子行为,理论上最终可用于通用量子计算。

早在2019年,潘建伟就联合中国科学院物理研究所范桁等理论小组,开创性地将超导量子比特应用到量子行走的研究中。在潘建伟团队此次的研究中,他们研制出了一个包含62个功能性量子比特的 8×8 二维方形超导量子比特阵列。

得益于量子计算原型机的高度可编程性,研究者通过调制量子比特连接的拓扑结构实现了一个马赫 – 曾德尔干涉仪,其中量子行走在干涉和射出之前沿两条路径运动,实现了可编程的双粒子量子行走。

量子计算机有几条路线?

量子计算机和我们现在所理解的“电脑”差别很大,首先两者的计算形式不一样,电脑通过电路的开和关进行计算,我们日常用的电脑,不管是屏幕上的图像还是输入的汉字,这些信息在硬件电路里都会转换成1和0,再进行传输、运算与存储。而量子计算机则以量子的状态作为计算形式。

目前的量子计算机使用的是如原子、离子、光子等物理系统,不同类型的量子计算机使用的是不同的粒子,比如在去年年底,我国研究团队成功研制出量子计算原型机“九章”,它就是光量子计算原型机。实验结果显示,“九章”处理特定问题的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍,同时也等效地比谷歌此前发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍,成功实现了量子计算领域的第一个里程碑——量子计算优越性。

超导量子计算具备较好的工艺可扩展性,因此也被广泛认为是最有可能率先实现通用量子计算的方案之一。但量子计算技术还处于极早期阶段,尚不具备产业投资价值。目前的量子技术领域,有两个具有投资价值的成熟应用方向,一个是数据加密领域,另一个是传感和量子的精密测量。

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原标题:《科普 | 可编程超导量子计算机“祖冲之”号面世,已实现“量子优越”?》

本文来自:百度新闻,原文:科普

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