“祖沖之2.0”提高量子優勢 實現量子計算優越性主賽道

其次，高斯玻色采樣在許多領域有著潛在的實際應用價值，可運用于量子化學、機器學習、圖優化、制備量子糾錯碼等領域。但在當前的技術條件下，制備可編程、低損耗、足夠大規模的光學干涉儀，還存在巨大的挑戰。在高斯玻色采樣問題上，執行運算的變換矩陣不僅與干涉儀有關，還與壓縮光的壓縮參數、相位有關。通過控制光源相位，“九章2.0”具備了部分可編程能力。相位可調的高斯玻色采樣已經具備了一定的潛在應用能力，如果以后能再實現干涉儀可調，那么將在很多實際領域有用武之地。另外，“九章2.0”的干涉儀規模也從之前的100模式提升到了144模式。

最終，“九章2.0”實現了113光子、144模式的部分可編程高斯玻色采樣，將在高斯玻色采樣問題上的量子優越性，從經典超算“太湖之光”的1014倍大幅提高到1024倍。同時，“九章2.0”輸出狀態空間的維數達到了1043量級，這使問題的復雜度大大提升，更加難以被新的經典算法模擬。

在超導量子體系中，構建大規模的量子比特陣列，并實現對每一個量子比特極高精度的相干操縱極其困難。

“祖沖之2.0”通過對其上56個量子比特進行精微調控，在隨機線路采樣任務上實現了量子計算優越性。這是目前公開發表的最大量子比特數的超導量子體系，高于此前“祖沖之”的62量子比特和2019年谷歌“懸鈴木”的53量子比特。其重要升級首先是引入可調耦合器，使得處理器的單比特門保真度和兩比特門保真度得到極大提升;其次采用倒裝焊封裝技術，解決二維排布量子芯片上的布線問題，極大減小信號串擾。

經過升級，整個處理器的綜合計算性能達到展示量子優越性的門檻。T1壽命是衡量量子比特退相干的一個重要指標，更長的T1壽命意味著可以對量子比特進行更多的相干操作，完成更復雜的計算任務。“祖沖之2.0”芯片上的所有組件都能正常工作，66個比特的平均T1壽命達到31微秒，高于“懸鈴木”的16微秒。

5個候選方案正在競爭

圍繞量子計算的一大熱點問題，是哪種技術路徑將最終贏得比賽。目前，主要有五個經過充分論證的候選方案正在競爭：超導、離子阱、光量子、半導體量子點和冷原子。所有這些方案都是在20世紀90年代開創性的物理實驗和實現中開發提出的。

超導量子計算機方案是目前國際上進展最快的方案，擁有最多的技術追隨者，IBM和谷歌憑借其深厚的技術積累和雄厚的資金實力在該領域發展迅猛。與國外相比，中國在量子計算各路線的進展中，超導量子計算的實驗雖然起步較晚，但表現強勢。長遠來看，該條技術路線在未來較易實現規?；?/p>

離子阱技術路線的優勢在于相干性好，可糾纏量子比特數目多，邏輯門保真度高。離子阱系統是美國政府資助最多的兩個量子計算研究方向之一，另一個是超導系統。除量子計算機以外，其還被廣泛應用于量子化學、相對論量子力學、量子熱力學等領域的量子模擬研究。離子阱量子計算至今已發展20余年，與超導量子計算的發展旗鼓相當。國際上，霍尼韋爾、IonQ和AQT在離子阱量子計算機的商業化方面進展較快。但國內對于離子阱量子計算機的實驗研究只有不到十年的時間。

我國在光量子計算的研究中處于國際領先水平。光量子是除超導量子和離子阱之外研究進展較快的技術路線，國際上，Xanadu和PsiQuantum是兩家發展較好的光量子計算機研制廠商。

由于半導體量子點計算機結合了當前的半導體工業技術，未來可以快速實現產業化，同時由于半導體量子比特體積較小，較超導技術路線和光量子技術路線而言更容易實現芯片化。但當前半導體量子比特的數量較少，且相干性較弱。國際上，美國英特爾、荷蘭代爾夫特理工大學和Qutech、澳大利亞SQC公司、日本理化學研究所(RIKEN)從事硅自旋量子比特方面的研發。

值得欣喜的是，中科大郭光燦院士團隊在硅基半導體鍺納米線量子芯片研究中取得了重要進展。由該團隊郭國平教授領銜的本源量子公司已推出第二代硅基自旋二比特量子芯片——玄微XWS2-200。

冷原子技術路線在進行量子模擬方面具有明顯優勢。國際上，法國的PASQA研究團隊在2011年就開始建造由中性原子陣列制成的可編程量子模擬器。雖然我國在這一方面有所布局，但整體上參與的單位較少，研究時間也較短。

理論研究證明，針對一些任務，量子計算能比經典算法更快速、有效地完成任務。目前物理學界普遍的共識是，量子計算機不可能完全取代經典計算機，但在某些有特定難度的問題上將會取代經典計算機。(科技日報記者吳長鋒)

關鍵詞： 量子計算