超過100個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算

一款新型的高性能量子處理器擁有105個(gè)超導(dǎo)量子比特，可以與廣受好評(píng)的谷歌“柳木”處理器相媲美。

在探索實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的過程中，人們發(fā)現(xiàn)，基于超導(dǎo)量子比特的處理器尤其大有可為。這類設(shè)備既可編程又能糾錯(cuò)。2024年12月，美國(guó)加利福尼亞州谷歌量子人工智能團(tuán)隊(duì)的研究人員公布了一款名為柳木（Willow）的105量子比特超導(dǎo)處理器。如今，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉團(tuán)隊(duì)也展示了他們自己的105量子比特處理器，祖沖之三號(hào)（圖1）。這兩款處理器性能相當(dāng)。

量子優(yōu)勢(shì)（量子計(jì)算優(yōu)越性）指的是量子計(jì)算機(jī)在執(zhí)行特定任務(wù)時(shí)，速度比最強(qiáng)大的非量子計(jì)算機(jī)或經(jīng)典計(jì)算機(jī)更快。用于此自的的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試任務(wù)稱為隨機(jī)線路采樣，其工作原理如下：量子計(jì)算機(jī)對(duì)一組量子比特施加一系列隨機(jī)排序的操作，該序列稱為隨機(jī)線路，隨機(jī)線路以一種獨(dú)特而復(fù)雜的方式轉(zhuǎn)換量子比特。隨后，計(jì)算機(jī)測(cè)量量子比特的最終狀態(tài)，并用不同的隨機(jī)線路多次重復(fù)這個(gè)過程，從而記錄下最終的量子比特狀態(tài)的概率分布。

對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)而言，等價(jià)的問題是通過計(jì)算量子比特的最終狀態(tài)轉(zhuǎn)換來模擬這一概率分布。然而，這一任務(wù)對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)過于復(fù)雜，實(shí)際上無法完成。取而代之的是，研究人員通常會(huì)基于對(duì)當(dāng)前最優(yōu)模擬方法及其所需資源（尤其是運(yùn)行時(shí)間）的合理假設(shè)，來推測(cè)經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬該任務(wù)的難度一不過，這種假設(shè)可能存在一定爭(zhēng)議。

2021年，潘建偉團(tuán)隊(duì)利用隨機(jī)線路采樣，聲稱他們?cè)瓌?chuàng)的祖沖之處理器實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)勢(shì)。該處理器以中國(guó)古代博學(xué)家祖沖之命名，他在公元5世紀(jì)計(jì)算出了精確度破紀(jì)錄的圓周率。最初的祖沖之處理器包含66個(gè)可讀取量子比特和110個(gè)耦合量子比特，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)其中一個(gè)包含56個(gè)量子比特的子集執(zhí)行了多達(dá)20層邏輯周期的隨機(jī)線路采樣，周期數(shù)是用來衡量量子比特運(yùn)算復(fù)雜度的指標(biāo)。研究人員得出結(jié)論：他們的56量子比特系統(tǒng)在隨機(jī)線路采樣任務(wù)上優(yōu)于谷歌2019年公布的53量子比特超導(dǎo)處理器“懸鈴木”。此后，潘建偉團(tuán)隊(duì)與谷歌之間展開了一場(chǎng)激烈的競(jìng)賽，雙方都致力于構(gòu)建規(guī)模更大、質(zhì)量更高的超導(dǎo)處理器。

谷歌2024年12月發(fā)布的105量子比特“柳木”處理器贏得了廣泛贊譽(yù)，不僅是因?yàn)樗鼡碛谐錾馁|(zhì)量和規(guī)模，還因?yàn)樗軌虺休d低于閾值的表面碼存儲(chǔ)器（一種可用于容錯(cuò)量子計(jì)算的存儲(chǔ)器）。而如今，潘建偉團(tuán)隊(duì)推出了祖沖之三號(hào)，該處理器包含105個(gè)可讀取的量子比特，以 15×7 的陣列排列，并配備182個(gè)耦合量子比特。在測(cè)試該設(shè)備時(shí)，研究人員對(duì)包含83個(gè)量子比特的子集進(jìn)行了32層邏輯周期的隨機(jī)線路采樣。他們測(cè)算出，即使是最強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，也需要數(shù)十億年的運(yùn)行時(shí)間才能模擬該量子處理器僅用100秒生成的概率分布。這一性能比谷歌此前的67量子比特和70量子比特懸鈴木處理器（柳木的前身）高出多個(gè)數(shù)量級(jí)。

雖然祖沖之三號(hào)和柳木都執(zhí)行了隨機(jī)線路采樣任務(wù)，但由于任務(wù)復(fù)雜度不同，并不能直接比較兩者的性能。一篇谷歌的博客文章稱，對(duì)柳木的基準(zhǔn)測(cè)試表明，當(dāng)今最快的經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要 年才能模擬柳木在5分鐘內(nèi)生成的結(jié)果。不過，這兩款量子處理器的核心參數(shù)還是可以比較的，例如全球量子情報(bào)公司（GQI）在《量子計(jì)算報(bào)告》中給出的對(duì)比表格。該表列出了以下參數(shù)的平均值：量子比特連通性、自發(fā)輻射率、退相干率（自發(fā)輻射率和退相干率是兩種可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的量子比特效應(yīng)）、單量子比特和雙量子比特邏輯門的保真度、量子比特讀出保真度以及這些邏輯門的時(shí)間延遲量。

根據(jù)該表，柳木和祖沖之三號(hào)的平均量子比特連通性不相上下，在其他指標(biāo)上，柳木則略占優(yōu)勢(shì)。不過，這場(chǎng)競(jìng)賽尚未結(jié)束，這些結(jié)果僅是兩支團(tuán)隊(duì)

潘建偉團(tuán)隊(duì)詳細(xì)描述了他們?cè)趯?shí)現(xiàn)高性能量子處理器過程中克服的挑戰(zhàn)。其中，他們所取得的關(guān)鍵突破在于提高了相干時(shí)間，即量子比特維持其脆弱量子態(tài)的持續(xù)時(shí)間。研究團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化描述設(shè)備電容和超導(dǎo)電感的參數(shù)，減少了電荷和磁通噪聲，從而延長(zhǎng)了相干時(shí)間。此外，研究人員還重新設(shè)計(jì)了量子比特電容墊以減少能量損耗，升級(jí)了布線以盡量減少室溫電子設(shè)備產(chǎn)生的噪聲，并將兩塊基板結(jié)合，以延長(zhǎng)量子比特的弛豫時(shí)間和退相干時(shí)間。

由于復(fù)雜的地緣政治背景，這場(chǎng)關(guān)于大規(guī)模超導(dǎo)量子計(jì)算的競(jìng)賽變得更加引人關(guān)注。量子計(jì)算被視為一種新興的雙用途技術(shù)，這意味著它的發(fā)展及應(yīng)用（盡管目前尚未實(shí)現(xiàn)，且在很大程度上難以預(yù)測(cè)）可以同時(shí)供民用和軍用。在這一背景下，國(guó)際上的討論已導(dǎo)致相關(guān)措施出臺(tái)，對(duì)能夠以低錯(cuò)誤率處理34量子比特信息的量子計(jì)算機(jī)及其關(guān)鍵組件施行出口限制。然而，從潘建偉團(tuán)隊(duì)和谷歌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，即使在這些限制措施之下，受地緣政治影響的競(jìng)爭(zhēng)者仍處于勢(shì)均力敵的較量之中。 0 在當(dāng)前階段的對(duì)比縮影，雙方的差距也并不顯著。

本文作者巴里·桑德斯（BarrySanders）擁有加拿大卡爾加里大學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位、倫敦大學(xué)博士學(xué)位以及倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的理學(xué)博士學(xué)位。他的研究重點(diǎn)是量子科學(xué)。他是卡爾加里大學(xué)量子科技中心“量子城”的科學(xué)主管，創(chuàng)新顛覆實(shí)驗(yàn)室多倫多大學(xué)分部和卡爾加里大學(xué)分部的導(dǎo)師，加拿大深科技組織的董事會(huì)主席，歐洲核子研究中心開放量子研究所和谷歌量子計(jì)算XPRIZE基金會(huì)的顧問。他也是美國(guó)物理學(xué)會(huì)、英國(guó)物理學(xué)會(huì)、美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)和加拿大皇家學(xué)會(huì)的成員