（文/觀察者網(wǎng) 陳思佳 編輯/蕭洋）

“比超級計(jì)算機(jī)快億億億倍。”

近日，我國量子計(jì)算研究獲重要進(jìn)展，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在論文中介紹，經(jīng)過一系列改進(jìn)，光量子計(jì)算機(jī)“九章二號”處理特定問題的速度比超級計(jì)算機(jī)要快上億億億倍，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之二號”在量子隨機(jī)線路采樣問題上的計(jì)算速度，也比目前最快的超級計(jì)算機(jī)快一千萬倍。

這意味著，我國成為了世界上唯一在兩種物理體系達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑的國家。

11月5日，觀察者網(wǎng)走訪了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院，實(shí)地探訪了“祖沖之二號”超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，還與多名深度參與“祖沖之二號”的科研人員聊起更多研發(fā)故事。

來自合作研發(fā)單位國盾量子的專家表示，相關(guān)計(jì)算機(jī)采用了新概念、新技術(shù)、新工藝，而取得了這一耀眼成果的團(tuán)隊(duì)也極為年輕。量子計(jì)算機(jī)論文作者中就不乏96年、97年出生的年輕研究員，最年輕的一位出生于99年，“團(tuán)隊(duì)大部分年齡是95后”。

國外同行對于這一系列成果也給予高度評價(jià)。加拿大卡爾加里大學(xué)量子科學(xué)與技術(shù)研究所主任巴里·桑德斯就表示，潘建偉團(tuán)隊(duì)取得的成果令人印象深刻，“兩臺實(shí)驗(yàn)性量子計(jì)算機(jī)解決迄今最復(fù)雜的問題，這意味著關(guān)于量子計(jì)算機(jī)能否實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的爭論已經(jīng)結(jié)束?！?

不過，專家也特意向我們提及，現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)還只能用于解決特定問題，距離通用量子計(jì)算機(jī)還有很長距離，未來，中等規(guī)模量子計(jì)算機(jī)有望在特定領(lǐng)域得到應(yīng)用。

此外，在大規(guī)模通用容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)最終實(shí)現(xiàn)之后，它將可以在化學(xué)反應(yīng)計(jì)算、材料設(shè)計(jì)、藥物合成、密碼破譯、大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)、軍事氣象等領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響。

看起來平平無奇的“桶”

在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院的實(shí)驗(yàn)室里，觀察者網(wǎng)在現(xiàn)場看到了“祖沖之二號”超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。在這個(gè)依靠巨大的支架“懸”在半空中、外觀看起來平平無奇的“桶”里，就有著我國的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之二號”。

據(jù)專家介紹，“桶”是提供接近絕對零度的極低溫環(huán)境的制冷設(shè)備，整體的構(gòu)造是為了盡可能減少“祖沖之二號”運(yùn)行中的各種干擾。

“祖沖之二號”超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)設(shè)備

就在最近，我國的量子計(jì)算機(jī)研發(fā)工作又取得重大進(jìn)展。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)近期發(fā)表的兩篇論文，就介紹了本文開頭提及的研究成果。

一直以來，多國科學(xué)家都在探索基于多種不同物理體系的量子計(jì)算研究，比如光學(xué)體系、超導(dǎo)量子比特體系、離子阱體系、超冷原子體系……其中，光學(xué)體系被業(yè)內(nèi)認(rèn)為具備適合量子模擬等優(yōu)勢。

而在這一領(lǐng)域，潘建偉團(tuán)隊(duì)一直處于國際領(lǐng)先水平。

2017年，潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了首臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算原型機(jī)。2020年，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了76光子、100模式的高斯玻色采樣量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，使我國成為第二個(gè)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的國家。

但“九章”相對而言還存在一些弱項(xiàng)，《科技日報(bào)》曾介紹，“九章”總系統(tǒng)效率偏低，其中主要損耗之一來自光源。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，制備可編程、低損耗、足夠大規(guī)模的光學(xué)干涉儀也存在巨大挑戰(zhàn)，因此優(yōu)先考慮低損耗、大規(guī)模的“九章”的光學(xué)儀器不可編程，應(yīng)用場景受到限制。

與一年前的“九章”相比，潘建偉、陸朝陽等人組成的研究團(tuán)隊(duì)此次構(gòu)建的“九章二號”，進(jìn)行了一系列技術(shù)創(chuàng)新。

“九章二號”實(shí)驗(yàn)照片 圖自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

據(jù)專家介紹，研究人員在激光“受激輻射光放大”概念的啟發(fā)下，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了受激雙模量子壓縮光源，顯著提高了量子光源的產(chǎn)率、品質(zhì)和收集效率。其次，通過三維集成和收集光路的緊湊設(shè)計(jì)，“九章二號”的多光子量子干涉線路增加到了144維度。

經(jīng)過這一系列改進(jìn)，“九章二號”探測到的光子數(shù)增加到了113個(gè)，輸出態(tài)空間維度達(dá)到了10的43次方。通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)壓縮光的相位，研究人員還進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對高斯玻色取樣矩陣的重新配置，演示了“九章二號”可用于求解不同參數(shù)數(shù)學(xué)問題的編程能力。

這使得“九章二號”在特定問題上的計(jì)算能力達(dá)到了超級計(jì)算機(jī)的億億億倍。根據(jù)現(xiàn)有理論，“九章二號”處理高斯玻色采樣的速度比目前最快的超級計(jì)算機(jī)還要再快10的24次方倍。

在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域，我國科研人員則實(shí)現(xiàn)了后來居上。據(jù)專家介紹，超導(dǎo)量子計(jì)算核心部件量子處理器基于類似于半體芯片的工藝技術(shù)制備，在大規(guī)模擴(kuò)展上具有很大優(yōu)勢，同時(shí)其控制采用常規(guī)的電子學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，容易實(shí)現(xiàn)編程操作。這同樣是有希望實(shí)現(xiàn)最終的實(shí)用化的重要量子計(jì)算路線。

《科技日報(bào)》此前介紹，作為可拓展量子計(jì)算的候選途徑之一，超導(dǎo)量子計(jì)算的核心目標(biāo)是如何同步地增加集成的量子比特?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作更多量子比特。

今年5月，潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)成功研制62量子比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號”，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可編程的二維量子行走。

此次研究團(tuán)隊(duì)在“祖沖之號”的基礎(chǔ)上，又采用全新的倒裝焊3D封裝工藝，解決了大規(guī)模比特集成的問題，成功研制“祖沖之二號”，實(shí)現(xiàn)了66個(gè)數(shù)據(jù)比特、110個(gè)耦合比特、11路讀取的高密度集成，最大態(tài)空間維度達(dá)到了10的19次方。

“祖沖之二號”還采用了可調(diào)耦合架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了比特間耦合強(qiáng)度的快速、精確可調(diào)，顯著提高了并行量子門操作的保真度。

“祖沖之二號”芯片示意圖 圖自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

經(jīng)過這一系列改進(jìn)，“祖沖之二號”通過操控其上的56個(gè)量子比特，在隨機(jī)線路采樣任務(wù)上實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性。這使得我國首次在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域達(dá)到量子計(jì)算優(yōu)越性的里程碑，我國也成為目前世界上唯一在兩種物理體系達(dá)到量子計(jì)算優(yōu)越性的國家。

不僅如此，研究團(tuán)隊(duì)隨后又對“祖沖之二號”進(jìn)行了性能升級，通過操控其上的60個(gè)量子比特，完成的任務(wù)又提高了3個(gè)數(shù)量級，任務(wù)難度比2019年谷歌“懸鈴木”高出百萬倍。

這意味著根據(jù)目前已公開的最優(yōu)經(jīng)典算法，“祖沖之二號”在量子隨機(jī)線路采樣問題上的處理速度，比當(dāng)前最快的超級計(jì)算機(jī)快一千萬倍。