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潘建偉團隊宣稱又一次實現了“量子計算優越性”！

世界最強的超級計算機8年才能完成的任務，用“祖沖之號”量子計算機最短1.2個小時就能實現。

這距離我國2020年12月4日首次實現量子計算優越性，僅僅過去了7個月。

這項工作由潘建偉、朱曉波、彭承志帶隊完成，相關論文預印版已上傳至arXiv上。

這次的“祖沖之號”與當年谷歌宣稱實現量子霸權的Sycamore量子計算機，都采用了超導量子計算。

這是目前最有希望實現可拓展量子計算的候選者之一。

其核心目標是如何同步地增加所集成的量子比特數目以及提升超導量子比特性能，從而能夠高精度相干操控更多的量子比特，實現對特定問題處理速度上的指數加速。

總而言之就是一個字——快。

“祖沖之號”使用56個量子比特，就比Google Sycamore量子計算機53個量子比特強2~3個數量級的量子優越性。

所以論文以“Strong quantum computational advantage”為題，代表更能證明量子計算的優越性。

此外，此次“祖沖之號”可以稱得上是2.0版本，在量子相干時間等方面都有了很大的提升。

祖沖之號

祖沖之號于今年5月剛剛研制成功，并在此基礎上實現編程的二維量子行走，論文發表在當月Nature上。

這次祖沖之號所用的量子處理器由66個Transmon量子比特組成，比5月剛研制成功時又增加了4個。

這些量子比特排列成11*6的晶格。

Transmon本質上是一種非線性振蕩器，其非線性來源于超導約瑟夫效應。非線性振蕩器的最低兩個能級被挑出來，就形成一個量子比特。

兩個量子比特之間由一個頻率更高的Transmon連接作為耦合器，可以快速調整相鄰的量子比特之間的耦合強度。

這樣的量子處理器的實現了高保真的單量子比特門（保真度平均99.86%）和雙量子比特門（平均99.41%），以及95.48%的讀出。

為了驗證量子處理器的性能，團隊選取了其中的56個量子比特進行20個周期的隨機量子電路采樣任務，創造了挑戰經典計算機的新紀錄。

量子計算全球競爭激烈

值得一提的是，在中科大發布此次成果后的第二天，IBM也宣布了在量子領域的下一步計劃。

他們宣布，將在2023年之前建立一個有1211個量子比特的系統；未來將向100萬以上量子比特的系統發起挑戰。

全球量子計算領域的激烈競爭，可見一斑。

2019年，谷歌最早宣布實現“量子霸權”。

他們宣稱，利用Sycamore量子計算機的53個量子比特，可以在200秒內處理世界超算1萬年才能完成的任務。

不過這一結論很快遭到了IBM研究人員的質疑，并在arXiv上刊出了他們的成果。

IBM在文章中指出，利用他們的方法，經典超級計算機可以在2.5天內以更高的保真度完成相同的計算任務。

2020年12月4日，中國科學技術大學發布使用76個光子的量子計算機“九章”，并宣布實現量子優越性。

由此，我國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。

不過，“九章”量子計算機目前還不能通用于玻色采樣以外的其他計算，不具備通用性。“祖沖之號”所應用的超導量子計算更有希望在實際中應用。

近年來，谷歌、IBM等公司紛紛對外宣稱成功開發出了大數量（50以上）量子比特的量子計算原型機。

但實現量子計算的關鍵參數不僅僅是量子比特數量，還有系統的保真度。

隨著量子比特數量和循環次數的增加，保真度都會急劇下降，錯誤率會相應上升。

因此，量子計算機距離走向實際應用，目前還比較遙遠。

值得一提的是，就在最近潘建偉團隊還有另一項研究成果發表。

研究出了迄今為止最快的實時量子隨機數發生器（QRNG），速度達18.8Gb。

其尺寸只有15.6×18.0毫米，遠遠小于大多數QNRG模塊或儀器。

目前，這項成果已發表在《應用物理快報》上。

本次論文：
https://arxiv.org/abs/2106.14734

祖沖之號論文：
https://science.sciencemag.org/content/372/6545/948