祖冲之二号量子处理器 处理特定问题比超算快亿亿亿倍潘建伟团队九章二号创纪录

　　中国成为唯一在两条技术路线上达到“量子优越性”里程碑国家

　　10月26日，中国科学技术大学官网显示，中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队与中科院上海技术物理研究所合作构建的66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”实现了量子计算优越性。

　　这一成果是我国继光量子计算原型机“九章”后在超导量子比特体系首次达到“量子计算优越性”里程碑，使得我国成为目前唯一同时在两种物理体系都达到这一里程碑的国家。

　　祖冲之二号量子处理器

　　相关论文包括发表《物理评论快报》的《Strong Quantum Computational Advantage Using a Superconducting Quantum Processor》(使用超导量子处理器实现强大的量子计算优越性)以及发布在《科学通报》上的《Quantum Computational Advantage via 60-Qubit 24-Cycle Random Circuit Sampling》(通过60量子比特24周期随机线路取样实现量子计算优越性)。

　　量子计算发展有三步：第一是实现量子计算优越性，需要相干操纵50个以上量子比特;第二是制成实用量子模拟机，需要相干操纵数百到数千量子比特;最后，制成通用量子计算机，需要相干操纵数百万量子比特。

　　“量子计算优越性”又叫“量子霸权”，量子计算发展的第一个里程碑。其含义是指量子计算机对特定问题的求解以压倒性的速度超过任何经典计算机，以至于经典计算机无法在合理的时间内完成任务。

　　此项研究使用量子随机线路取样作为衡量量子计算机整体能力的指标。“祖冲之二号”处理的量子随机线路取样问题的速度比目前最快的超级计算机快7个数量级，计算复杂度比谷歌公开报道的53比特超导量子计算原型机“悬铃木”提高了6个数量级(“悬铃木”处理“量子随机线路取样”问题比经典超算快2个数量级)。

　　量子随机线路取样保真度随线路深度的变化及目前最快的超级计算机“富岳”完成相同任务需要的时间

　　超导量子比特是国际公认的有望实现可扩展量子计算的物理体系之一。潘建伟、朱晓波、彭承志等长期瞄准超导量子计算领域，于2021年5月构建了当时国际上量子比特数目最多的62比特超导量子计算原型机“祖冲之号”，并实现了可编程的二维量子行走 [Science 372, 948 (2021)]。

　　团队在“祖冲之号”的基础上，采用全新的倒装焊3D封装工艺，解决了大规模比特集成的问题，研制成功“祖冲之二号”，实现了66个数据比特、110个耦合比特、11路读取的高密度集成，最大态空间维度达到了1019。“祖冲之二号”采用可调耦合架构，实现了比特间耦合强度的快速、精确可调，可实现高保真单量子比特门(平均 99.86%)和双量子比特门(99.41%)以及读出(平均 95.48%)，显著提高了并行量子门操作的保真度。通过量子编程的方式，研究人员实现了对量子随机线路取样，演示了“祖冲之二号”可用于执行任意量子算法的编程能力。

　　根据目前已公开的最优化经典算法，“祖冲之二号”处理量子随机线路取样问题的速度比目前最快的超级计算机快7个数量级，计算复杂度较谷歌“悬铃木”提高了6个数量级。

　　量子计算优越性的成功演示标志着量子计算研究进入到发展的第二阶段，开始量子纠错和近期应用的探索。“祖冲之二号”采用二维网格比特排布芯片架构，直接兼容表面码量子纠错算法，为量子纠错并进一步实现通用量子计算奠定了基础。同时，“祖冲之二号”的并行高保真度量子门操控能力和完全可编程能力，有望在特定领域找到有实用价值的应用，预期应用包括量子机器学习、量子化学、量子近似优化等。

　　处理特定问题比超算快亿亿亿倍：潘建伟团队九章二号创纪录

　　根据中国科学技术大学10月26日消息，中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等人与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，发展了量子光源受激放大的理论和实验方法，构建了113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”，并实现了相位可编程功能，完成了对用于演示“量子计算优越性”的高斯玻色取样任务的快速求解。

　　根据现已正式发表的最优经典算法理论，“九章二号”处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快10^24倍，或者说快“亿亿亿”倍。这一成果再次刷新了国际上光量子操纵的技术水平，进一步提供了量子计算加速的实验证据。

　　相关论文以“编辑推荐”的形式发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上，论文标题为“Phase-Programmable Gaussian Boson Sampling Using Stimulated Squeezed Light”。

　　“在实践中证明量子优越性的方法是基于‘采样问题’——其解决方案是给定概率分布的随机实例或样本的计算问题。如果生成这些实例对于经典计算机不可行，但对于量子计算机可行，就表示实现了量子优越性。”著名量子物理学家、加拿大Calgary大学教授Barry Sanders在Physics网站发表的评述文章表示，“九章二号”与“祖冲之二号”的实验结果是相对于最先进技术的令人印象深刻的进步。

　　九章二号整体装置图 图源：中国科学技术大学官网

　　量子计算机利用量子力学现象(如叠加和纠缠)，在原理上可通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题上，比经典计算机更强。

　　1981年，费曼就提出量子计算的初步想法。大规模量子计算机的物理实现是世界科技前沿的重大挑战之一。对于研制容错的通用量子计算，因其苛刻的容错阈值和大规模的量子比特数目，离目前人类的科技发展水平尚有不小的差距。

　　因此，实现对于量子计算的物理实现，国际学术界采取三步走的路线图。

　　第一个里程碑叫做“量子计算优越性”，其含义是利用量子处理器高效地解决超级计算机都无法在合理时间内解决的特定的高复杂度数学问题，从实验上确凿地证明四十年前费曼所提出来地量子计算加速设想。一般认为，实现量子计算优越性需要操控50以上的物理比特。

　　第二步是制成实用量子模拟机，需要相干操纵数百到数千量子比特;第三步，制成通用量子计算机，需要相干操纵数百万至数千万个量子比特。

　　基于光子的玻色取样和基于超导比特的随机线路取样是实验展示量子计算优越性的两个重要方案。潘建伟团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平。

　　2017年，该团队构建了世界首台超越早期经典计算机的光量子计算原型机。2019年，团队进一步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，输出希尔伯特态空间维度达到1014，逼近了“量子计算优越性”。

　　2020年，潘建伟团队成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”，输出量子态空间规模达到了1030，处理高斯玻色取样的速度比超级计算机快一百万亿倍，同时克服了谷歌基于“悬铃木”超导处理器的随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。“九章”实验完成后，在理论提出玻色取样算法和证明计算复杂度的Scott Aaronson教授随后获得了由国际计算机协会颁发的ACM Prize in Computing。

　　a表示输出态空间的维度。b表示光量子计算原型机相比超算的优势倍数。 图源：中国科学技术大学官网

　　2021年，团队在“九章”的基础上，进行了一系列概念和技术创新。受到激光——“受激辐射光放大”概念的启发，研究人员设计并实现了受激双模量子压缩光源，显著提高了量子光源的产率、品质和收集效率。其次，通过三维集成和收集光路的紧凑设计，多光子量子干涉线路增加到了144维度。由此，“九章二号”探测到的光子数增加到了113个，输出态空间维度达到了1043。进一步，通过动态调节压缩光的相位，研究人员实现了对高斯玻色取样矩阵的重新配置，演示了“九章二号”可用于求解不同参数数学问题的编程能力。

　　根据目前已正式发表的最优化经典算法，“九章二号”在高斯玻色取样这个问题上的处理速度比最快的超级计算机快10^24倍。

　　中国成功研制“九章二号”量子计算原型机

　　从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等人与中科院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，近期成功构建113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”，求解高斯玻色取样数学问题比目前全球最快的超级计算机快10的24次方倍(亿亿亿倍)，在研制量子计算机之路上迈出重要一步。

　　1981年，诺贝尔奖获得者理查德·费曼提出了量子计算机构想。目前，量子计算已被认为可能是下一代信息革命的关键技术，可通过特定算法产生超越传统计算机的算力，解决重大经济社会问题。研制量子计算机成为世界科技前沿重大挑战。

　　2020年，潘建伟团队成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，处理高斯玻色取样问题的速度比超级计算机快一百万亿倍，使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

　　今年以来，潘建伟团队进行了一系列概念和技术创新，于近期成功研制出“九章二号”。

　　“我们主要有三大突破，首先显著提高了量子光源的产率、品质和收集效率，将光源关键指标从63%提升到92%。其次，将多光子量子干涉线路从100维度增加到144维度，操纵的光子数从76个增加到113个。第三，新增了可编程功能。”研究团队成员、中科大教授陆朝阳说。

　　结果显示，“九章二号”的算力实现巨大提升。根据目前已发表的最优经典算法，“九章二号”求解高斯玻色取样问题的处理速度，比全球最快的超级计算机快亿亿亿倍，比“九章”快100亿倍。“九章二号”1毫秒可算出的问题，全球“最快超算”需30万亿年。

　　10月25日，国际权威学术期刊《物理评论快报》发表了该研究成果。量子物理学家、加拿大卡尔加里大学教授巴里·桑德斯认为，这是“令人激动的实验杰作”。

　　据悉，未来的通用型量子计算机可望在密码破译、天气预报、材料设计、药物分析等领域发挥作用。目前的“九章二号”还只是“单项冠军”，但其超强算力，在图论、量子化学等领域具有潜在应用价值。