“祖沖之2.0”提高量子優勢 實現量子計算優越性主賽道

近日，中國科學技術大學(以下簡稱中科大)潘建偉團隊研制出66比特的可編程超導量子計算原型機“祖沖之2.0”，在隨機線路采樣任務上實現了量子計算優越性，所完成任務的難度比2019年谷歌“懸鈴木”高2—3個數量級。

與此同時，潘建偉團隊升級版“九章2.0”極大地提高了量子優勢：對于高斯玻色采樣問題，1年前的“九章”一分鐘可以完成的任務，世界上最強大的超級計算機需要花費億年時間;而“九章2.0”一分鐘完成的任務，超級計算機花費的時間要再增加百億倍。并且“九章2.0”還具有了部分可編程的能力。

“九章2.0”和“祖沖之2.0”的出現，使我國成為唯一在兩個物理體系中實現量子計算優越性的國家。

實現量子計算優越性的主賽道

量子計算強大的計算能力將給人類社會帶來顛覆性的改變。然而，量子態脆弱而敏感，極易受到周圍環境噪聲的影響，在實際的物理體系中建造一臺量子比特數足夠多、操控保真度足夠高的量子計算機要面臨極大挑戰。

2012年，加州理工學院教授、物理學家約翰·裴士基(John Preskill)提出，在達成通用量子計算這一長遠目標之前，應該再設立兩個階段性的里程碑，其中第一個就是量子計算優越性。

最初科學家們用來展示量子計算優越性的特定任務，一定是精心設計、非常適合量子計算設備發揮其計算潛力的任務。這個任務不一定有實際價值，而主要用來證實量子計算的巨大潛力，同時在技術和理論上，能夠為之后的發展鋪設道路。

科學家們正基于多種物理體系和途徑，利用不同體系的特性和優勢來開展量子計算研究。其中，超導量子計算作為一種固態量子計算方案具有可擴展性好、量子比特相干時間長、操作速度快、保真度高、加工工藝成熟等眾多優點;而光學體系具有光子易于操縱、退相干很小、室溫下運行以及可用于長距離通信等優點，因此它們都是量子信息領域備受關注的物理實現平臺。

目前階段，最可能用以演示量子計算優越性的問題包括隨機量子線路采樣、玻色采樣、IQP線路等。其中，隨機線路采樣任務則非常適合在二維結構的超導量子計算芯片上完成。

玻色采樣及其“變體”高斯玻色采樣任務，特別適合于光學體系。事實上，玻色采樣實驗是一項極富挑戰性的任務，對光子源、光學干涉儀、單光子探測器都提出了苛刻的要求。

幾大突破讓量子計算更快更強

“‘九章2.0’在計算規模和復雜度上都較‘九章’有了顯著提升，極大地提高了之前的量子優勢。”中科大陸朝陽教授說，與“九章”相比，“九章2.0”重點實現了三大突破。

首先，“九章”的總系統效率偏低，約為30%，其中一個主要損耗來自光源。受到激光原理的啟發，研究人員開發了受激壓縮光源，可得到同時滿足高壓縮量、高純度和高收集效率的壓縮光源。

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