量子計(jì)算再升級!“九章二號”“祖沖之二號”問世

文/許琦敏

10月26日，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院對外公布，我國首臺實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”的光量子計(jì)算原型機(jī)“九章號”、超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號”的升級版“九章二號”“祖沖之二號”雙雙問世，這使我國成為目前世界上唯一在超導(dǎo)量子和光量子兩種系統(tǒng)都達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑的國家。

“九章二號”刷新國際光量子操縱技術(shù)水平

繼2020年12月“九章號”問世以來，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，又進(jìn)行了一系列概念和技術(shù)創(chuàng)新。

“我們在激光‘受激發(fā)輻射放大’概念的啟發(fā)下，對量子光源進(jìn)行了改進(jìn)，使光子的產(chǎn)率較之前提升了三倍，光源關(guān)鍵指標(biāo)也從63%提升到92%?！标懗柦榻B，這對于“九章二號”的性能提升起到了關(guān)鍵作用。

與此同時，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從之前的100維度增加到了144維度。由此，“九章二號”探測到的光子數(shù)增加到了113個，輸出態(tài)空間維度達(dá)到了1043。

更值得一提的是，“九章二號”還實(shí)現(xiàn)了相位可編程功能。陸朝陽解釋，此處的“可編程”并非傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的編程，“我們可以動態(tài)調(diào)節(jié)壓縮光的相位，實(shí)現(xiàn)對高斯玻色取樣矩陣的重新配置”。

因此，“九章二號”可用于求解不同參數(shù)數(shù)學(xué)問題。根據(jù)目前已正式發(fā)表的最優(yōu)化經(jīng)典算法，“九章二號”在高斯玻色取樣這個問題上的處理速度比最快的超級計(jì)算機(jī)快億億億倍。也就是說，全球“最快超算”需30萬億年可算出的問題，“九章二號”只需1毫秒即可解決。

目前，在國際光量子計(jì)算領(lǐng)域，世界排名第二的加拿大量子科技公司仙樂都實(shí)現(xiàn)的光量子操縱數(shù)目僅為18個。中國科學(xué)家的成果再次刷新了國際上光量子操縱的技術(shù)水平。

“祖沖之二號”首次達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑

與“九章二號”相比，“祖沖之二號”的問世顯得更加激動人心——這是我國首次在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域超越谷歌，并達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑。

今年5月剛剛發(fā)布的“祖沖之號”，不到半年又有了升級版?！啊鏇_之二號’的處理器芯片采用全新的倒裝焊3D 封裝工藝，解決了大規(guī)模比特集成的問題?！敝袊萍即髮W(xué)量子創(chuàng)新院教授朱曉波介紹道。

與“祖沖之號”相比，“祖沖之二號”實(shí)現(xiàn)了66個數(shù)據(jù)比特、110個耦合比特、11路讀取的高密度集成，最大態(tài)空間維度達(dá)到了1019。朱曉波介紹，“祖沖之二號”采用了“祖沖之號”所沒有的可調(diào)耦合架構(gòu)，“這些耦合比特就是人類得心應(yīng)手的工具，從而能夠更好控制數(shù)據(jù)比特”，因此在“祖沖之二號”上，科學(xué)家實(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。

通過量子編程的方式，研究人員實(shí)現(xiàn)了對量子隨機(jī)線路取樣，演示了“祖沖之二號”可用于執(zhí)行任意量子算法的編程能力。根據(jù)目前已公開的最優(yōu)化經(jīng)典算法，“祖沖之二號”處理量子隨機(jī)線路取樣問題的速度比目前最快的超級計(jì)算機(jī)快一千萬倍，計(jì)算復(fù)雜度較谷歌“懸鈴木”提高一百萬倍。

朱曉波透露，目前研究團(tuán)隊(duì)已在進(jìn)行更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，以期不斷刷新紀(jì)錄，“五年之后，希望可以驗(yàn)證‘有糾錯保護(hù)的量子比特’，最終走向通用容錯的量子計(jì)算”。（據(jù)《文匯報》）■