66个功能量子比特！潘建伟团队“祖冲之号”再展量子计算优越性

量子计算原理上具有强大的并行计算能力，可望通过特定算法在如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等一系列领域相比经典计算机实现指数级别的加速。

6 月 29 日，党的 100 岁华诞来临之际，由来自合肥微尺度物质科学国家研究中心、上海量子科学研究中心、中科院量子创新研究院等机构的潘建伟、朱晓波、陆朝阳、彭承志等教授和研究员合作撰写的“Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor” 一文在arXiv发表了论文预印本。

图丨“祖冲之号” 量子处理器示意图，由两个蓝宝石芯片堆砌而成（来源：arXiv）

论文介绍了中国由 66 个功能量子比特组成可调谐耦合结构的 “祖冲之号” 处理器，其破纪录地展示了对于传统计算机的 “量子霸权”（又称量子计算优势，“祖冲之号” 1.2 小时完成的任务，超级计算机需要至少 8 年），完成的采样任务计算复杂度相比 2019 年的谷歌 “Sycamore” 量子处理器要高出 2-3 个数量级。

图丨控制电路和连线示意图。量子处理器被放置在电路板上并储藏在低温恒温器中，与外界其他常温电路相连接（来源：arXiv）

更多的量子比特

“Sycamore” 处理器在 2019 年就已经展现了完胜传统计算的 “量子霸权”，但更多数量的量子比特对于“迎战”不断迭代更新的传统计算技术尤为重要。

“祖冲之号”量子处理器 66 个量子比特的数量，可谓是量子计算机领域一个重要的里程碑。据文章介绍，“祖冲之号”由 66 个 Transmon 量子比特（Qubit）构成，其被排列成 11 行 6 列的二维长方形晶体网格。

Transmon 原理上是由超导约瑟夫森效应（Josephson effect）导致的非线性振荡器，这种宏观量子效应使“超电流”（supercurrent）在无电压的情况下通过弱连接的超导体。接下来，Transmon 最低的两种能量级被编码为和，作为量子比特。

每个量子比特都有两条控制线路相连接：一条为用以驱动和状态的微波线路，一条为偏置磁通线路，用以调谐量子比特的震荡频率。同时由于芯片的网格结构，每个量子比特都与近邻通过可以快速开关的耦合器相连。

这些耦合器一共有 110 个，同样由 Transmon 构成，但其震荡频率相比数据用途的 Transmon 要高上数千兆赫兹并处在基态。

图丨 Transmon 量子比特示意图，中间由耦合器相连；带叉器件为约瑟夫森结（来源：arXiv）

高保真度

除了持续增加芯片上的可用量子比特以外，提高量子逻辑门的采样保真度对于量子计算的发展也格外重要。而这就需要对包括微波共振耦合、控制电路串扰、量子比特残余耦合等误差来源进行优化。

图丨“祖冲之号”处理器单、双比特量子门泡利误差和读取误差示意图（来源：arXiv）

文中指出，通过优化硬件架构和使用多种共振频段等方法，研究团队实现了单比特量子门平均 99.86%，双比特量子门平均 99.24%，读取平均 95.23% 的高保真度。

测试方法和结果

研究团队选择了随机量子电路采样（Random Quantum Circuit Sampling）任务用以测试 “祖冲之号”的整体性能。

图丨56 量子比特的随机量子电路采样算法（来源：arXiv）

经过其中 56 个量子比特的 20 个循环的运算，“祖冲之号”得到了需要传统运算模式下 1.65×1020 次或 2.08×1024 次浮点运算才能得到的结果（实际需要的运算次数取决于模拟量子电路的算法）。

这比 2019 年谷歌 “Sycamore” 量子处理器利用 53 个量子比特 20 个循环的运算复杂度高出了 2 至 3 个等级，相当于美国 Summit 超级计算机运行 8.2 年的结果。这一结果充分说明了中国科学家将 “量子霸权”提升到了全新的高度。

图丨随机量子电路采样算法的保真度和量子比特数 / 循环数的关系（来源：arXiv）

中国量子计算成果和目标综述

2019 年，谷歌通过 “Sycamore” 量子处理器首次向世界展示 “量子霸权”，成果发表在《自然》期刊上。53 个量子比特在 200 秒内的 20 次计算循环产生的结果相当于 Summit 超级计算机运行一万年的结果。

在此之后，中国科学家们力争上游，在量子计算领域取得了一系列傲人的成绩。2020 年 12 月，由潘建伟教授、陆朝阳教授挂帅的研究团队在《科学》期刊上发文，其搭建的 76 个光子的量子计算原型机 “九章”，实现了在高斯玻色取样任务上的 “量子霸权”。

图丨 “九章” 量子计算原型机光路系统原理图（来源：中科大量子物理与量子信息研究部）

作为中国第一个获得“量子霸权”的量子处理器，“九章” 一分钟完成的任务，“Summit”超级计算机需要一亿年，相当于快了一百万亿倍，同比谷歌 “Sycamore” 量子处理器快了一百亿倍。

2021 年 5 月 7 号，潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队在《科学》期刊上发文，其成功研制了 62 比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。

量子行走可以看成是量子领域的随机行走，它描述了量子在芯片晶格间的传播，可以用以模拟量子多体物理体系，在量子搜索算法、通用量子计算等领域具有潜在应用。

图丨二维超导量子比特芯片示意图。每个橘色十字代表一个量子比特（来源：中科大量子物理与量子信息研究部）

展望未来，在中科大量子物理与量子信息研究部的网站上，详细记录了量子计算机领域的国际同行公认有三个指标性的发展阶段：

“一、发展具备 50-100 个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中 '量子计算优越性' 的里程碑。”

“二、通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题（如量子化学、新材料设计、优化算法等）。”

“三、通过积累在专用量子计算与模拟机的研制过程中发展起来的各种技术，提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值（>99.9%），大幅度提高可集成的量子比特数目（百万量级），实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。”

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参考：

https://arxiv.org/pdf/2106.14734.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Josephson_effect#:~:text=In%20precision%20metrology%2C%20the%20Josephson%20effect%20provides%20an,of%20a%20volt%2C%20the%20Josephson%20voltage%20standard%20.

http://quantum.ustc.edu.cn/web/node/917

http://quantum.ustc.edu.cn/web/node/964

https://science.sciencemag.org/content/372/6545/948