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据报道,2021年10月,我国量子计算领域双喜临门:“祖冲之号”和“九章”的2.0升级版——“祖冲之二号”“九章二号”均成功构建。

“祖冲之二号”构建了66比特可编程超导量子计算原型机。“九章二号”则再次刷新国际光量子操纵的技术水平,处理特定问题比目前全球最快的超级计算机快10的24次方倍。这意味着,我国已成为世界上唯一在超导量子和光量子两种体系下达到“量子优越性”里程碑的国家。

几十年间,量子计算机一步步从科学家的大胆构想中走向现实。这一路经历了怎样的曲折过程?世界上至今有哪些量子计算机?“祖冲之号”和“九章”的2.0版实现了怎样技术升级?请看本期解读。

道阻且长,行则将至

1981年,诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼提出了两个富有洞察力的问题:经典计算机是否能有效模拟量子系统?舍弃经典的图灵机模型而利用具有奇特性质的量子材料,能否构建模拟量子系统的计算机?

这是人类首次提出量子计算机概念。量子计算机的时代帷幕也由此拉开。

量子计算意义深远,因为它开启了一种全新的计算模式。古希腊数学家毕达哥拉斯说,任何事情都可用数来代表。也就是说,任何问题都可变成一个函数计算:输入一个数,通过一个模型演化运算,再输出一个数。

这个模型就像一个黑匣子,利用经典力学时就是我们现在正在使用的经典图灵机,利用量子力学时就是全新的量子计算机。

一个标准的量子计算机,通常需要具备3个基本模块:一是软件系统,即量子算法;二是量子信息控制系统,即量子电路,用来确保量子计算中可靠的底层信息处理,这相当于操作系统和编程;三是硬件体系。

三者中首先取得重大突破的是量子算法。影响最大的有两种算法:一种是诞生于1994年的舒尔(SHOR)算法,用于破解大质因数分解,可将分解5000位数字的时间从50亿年减到2分钟,在密码破译方面潜力巨大;另一种是诞生于1996年的格罗弗(GROVE)算法,即量子搜索算法,可从大量无序的对象中快速找到需要的东西,解决“最短路径搜寻”“大海捞针”等一些经典计算机很难解决的优化问题。

三者中进展最慢的是物理硬件。制备大规模量子计算机,长期以来挑战性极大,对于多个量子比特的有效测量和规模化集成更是难上加难。因为量子计算机本身就是一个矛盾体,一方面要把量子比特从环境中完全孤立出来,另一方面又要控制它们并使之相互作用。好比每个光子都有很好的量子性能,但要控制很多光子达到像一个光子那样的性能,就不是那么容易了。

科学家们一直在矛盾的“夹缝”中寻找出路。量子态是脆弱和敏感的,极易受到周围环境影响。在宏观世界中去建造一台量子比特数足够多、操控保真度足够高的量子计算机,让无形的量子服从命令,简直需要“巫师一般的魔法”。

经过科研人员几十年的不懈努力,量子计算机陆续形成,现整体处在早期发展阶段。如果类比经典计算机,大体在电子管时代,可谓“道阻且长,行则将至;行而不辍,未来可期”。

“九章二号”144模式干涉仪(部分)实验照片。

百舸争流,奋楫者先

目前,世界上都有哪些量子计算机?

根据量子比特的制备方式不同,主流的技术路径有超导量子、光量子、离子阱、半导体量子点量子以及量子拓扑等。前4种路径均已制作出量子计算原型机。

超导量子方案是最主流的路线,它用超导体作原料,最大优势在于具有可操作性和可扩展性。这使超导量子成为实现可扩展量子计算最有前景的候选方案之一。

2019年初,IBM首先实现了基于超导系统的50位量子计算机“IBM-Q”。谷歌也是超导系统的追捧者,迅速超越IBM,于2019年9月发布53量子比特的“悬铃木”。2021年,我国可编程超导量子计算机“祖冲之号”问世,量子比特达到62个。

另一条重要路线就是光量子,原料是光。中国科学技术大学使用光量子路线,成功孕育出76个光子的量子计算原型机“九章”。

我们不妨拿光量子路线和超导量子路线比较一下:超导量子比较容易控制,光量子则要复杂得多;超导量子需要在接近绝对零度的超低温下才能确保稳定性,而光量子在室温下就能运行;超导量子能用于制作量子比特的特征比较少,光量子动起来能测量的指标比较多,比如有路径、偏振、角动量等。

同时,两者也都各有“死穴”:光量子的问题在于相互间作用很弱,很难制作纠缠态,不过一旦制成就很稳定,可理解为“门槛高天花板也高”;超导量子彼此间作用力强,容易制作纠缠态,但很不稳定。

澳大利亚西蒙斯团队使用的是硅量子点系统,微软发展的是拓扑量子比特方案,还有美国霍尼韦尔领衔的离子阱方案,以及其他更小众的方案,可谓百花齐放,各种路线各有特色和优势。

总之,当今世界各国都在集中力量和科研资源,寻找适合自己的量子计算机实现途径。百舸争流,奋楫者先;千帆竞发,勇进者胜。“祖冲之号”在超导量子赛道、“九章”在光量子赛道都成了冠军。

潜心深耕,中国作答

所谓“量子优越性”,即对于特定任务,量子计算机可以解决,而现存的任何经典计算机运用任何已知算法,都不能在一个可接受的时间内完成。

为了证明量子计算的这种“绝对优势”,可特定一个精心设计的任务,不一定具有实际价值,主要用于证实量子计算的巨大潜力,同时为之后的发展铺设道路。目前,用于演示“量子优越性”的任务,包括随机量子线路采样、玻色采样、IQP线路等。

比如,随机线路采样任务就非常适合在超导量子计算上完成。它复杂度高,经典计算很难模拟。“祖冲之号”选择“二维的量子随机行走”这一问题,证明了“量子优越性”。同理,“九章”完成的是“高斯玻色采样”任务,在光学体系中证明了“量子优越性”。

证明“量子优越性”,可以说是量子计算机研制征程上的一个里程碑。“祖冲之二号”和“九章二号”的诞生,像一对双子星,照亮了量子应用更广阔的前程。

62个量子比特的“祖冲之号”,当时已是世界上公开发表论文提到比特数最多的超导量子计算机。现今完成自我超越的“祖冲之二号”,实现了66个量子比特,又采用全新的倒装焊3D封装工艺以及可调耦合架构,解决了大规模比特集成问题,实现了比特间耦合快速、精确可调。

“祖冲之二号”对特定任务处理速度比当前最快的超级计算机快一千万倍,所完成任务的难度比谷歌“悬铃木”高2-3个数量级。

另一条路线上,“九章二号”在计算规模和复杂度上,与“九章”相比都有显著提升:“九章”构建的是76个光子、100模式的量子计算原型机,“九章二号”则成功构建了113个光子、144模式的量子计算原型机。“九章”一分钟完成的任务,超级计算机“富岳”需要花费一亿年;“九章二号”一毫秒完成的任务,“富岳”需要算上30万亿年。最重要的是,“九章二号”还具备了部分可编程能力。

潜心深耕,中国作答。在不懈的攀登中,我国已为世界提供了“中国方案”。“量子优越性”并非终点、只是起点,就像显微镜赋予了人们探寻微生物世界的途径,天文望远镜搭建了人们探索广袤星空的桥梁,量子计算机意味着对于无限广阔的未知领域,我们即将找到开启的“钥匙”。

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