量子計算再升級!“九章二號”“祖沖之二號”問世

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，我國首臺實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”的光量子計算原型機“九章號”、超導(dǎo)量子計算原型機“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)都達到“量子計算優(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隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，又進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，對量子光源進行了改進，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%。”陸朝陽介紹，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， “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)空間維度達到了1043。

更值得一提的是，“九章二號”還實現(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)計算機的編程，“我們可以動態(tài)調(diào)節(jié)壓縮光的相位，實現(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算機快億億億倍。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，在國際光量子計算領(lǐng)域，世界排名第二的加拿大量子科技公司仙樂都實現(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”首次達到“量子計算優(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)量子計算領(lǐng)域超越谷歌，并達到“量子計算優(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。“‘祖沖之二號’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。”中國科技大學(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)家實現(xiàn)了比特間耦合強度的快速、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，研究人員實現(xiàn)了對量子隨機線路取樣，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”處理量子隨機線路取樣問題的速度比目前最快的超級計算機快一千萬倍，計算復(fù)雜度較谷歌“懸鈴木”提高一百萬倍。

朱曉波透露，目前研究團隊已在進行更復(fù)雜的實驗，以期不斷刷新紀錄，“五年之后，希望可以驗證‘有糾錯保護的量子比特’，最終走向通用容錯的量子計算”。（據(jù)《文匯報》）