超導量子計算作為一種固態(tài)量子計算方案具有可擴展性好、量子比特相干時間長、操作速度快、保真度高、加工工藝成熟等優(yōu)點;而光學體系具有光子易于操縱、退相干很小、室溫下運行以及可用于長距離通信等優(yōu)點，因此它們都是量子信息領域備受關注的物理實現(xiàn)平臺。

近日，中國科學技術大學(以下簡稱中科大)潘建偉團隊研制出66比特的可編程超導量子計算原型機“祖沖之2.0”，在隨機線路采樣任務上實現(xiàn)了量子計算優(yōu)越性，所完成任務的難度比2019年谷歌“懸鈴木”高2—3個數(shù)量級。

與此同時，潘建偉團隊升級版“九章2.0”極大地提高了量子優(yōu)勢：對于高斯玻色采樣問題，1年前的“九章”一分鐘可以完成的任務，世界上最強大的超級計算機需要花費億年時間;而“九章2.0”一分鐘完成的任務，超級計算機花費的時間要再增加百億倍。并且“九章2.0”還具有了部分可編程的能力。

“九章2.0”和“祖沖之2.0”的出現(xiàn)，使我國成為唯一在兩個物理體系中實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性的國家。

實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性的主賽道

量子計算強大的計算能力將給人類社會帶來顛覆性的改變。然而，量子態(tài)脆弱而敏感，極易受到周圍環(huán)境噪聲的影響，在實際的物理體系中建造一臺量子比特數(shù)足夠多、操控保真度足夠高的量子計算機要面臨極大挑戰(zhàn)。

2012年，加州理工學院教授、物理學家約翰·裴士基(John Preskill)提出，在達成通用量子計算這一長遠目標之前，應該再設立兩個階段性的里程碑，其中第一個就是量子計算優(yōu)越性。

最初科學家們用來展示量子計算優(yōu)越性的特定任務，一定是精心設計、非常適合量子計算設備發(fā)揮其計算潛力的任務。這個任務不一定有實際價值，而主要用來證實量子計算的巨大潛力，同時在技術和理論上，能夠為之后的發(fā)展鋪設道路。

科學家們正基于多種物理體系和途徑，利用不同體系的特性和優(yōu)勢來開展量子計算研究。其中，超導量子計算作為一種固態(tài)量子計算方案具有可擴展性好、量子比特相干時間長、操作速度快、保真度高、加工工藝成熟等眾多優(yōu)點;而光學體系具有光子易于操縱、退相干很小、室溫下運行以及可用于長距離通信等優(yōu)點，因此它們都是量子信息領域備受關注的物理實現(xiàn)平臺。

目前階段，最可能用以演示量子計算優(yōu)越性的問題包括隨機量子線路采樣、玻色采樣、IQP線路等。其中，隨機線路采樣任務則非常適合在二維結構的超導量子計算芯片上完成。

玻色采樣及其“變體”高斯玻色采樣任務，特別適合于光學體系。事實上，玻色采樣實驗是一項極富挑戰(zhàn)性的任務，對光子源、光學干涉儀、單光子探測器都提出了苛刻的要求。

幾大突破讓量子計算更快更強

“‘九章2.0’在計算規(guī)模和復雜度上都較‘九章’有了顯著提升，極大地提高了之前的量子優(yōu)勢。”中科大陸朝陽教授說，與“九章”相比，“九章2.0”重點實現(xiàn)了三大突破。

首先，“九章”的總系統(tǒng)效率偏低，約為30%，其中一個主要損耗來自光源。受到激光原理的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了受激壓縮光源，可得到同時滿足高壓縮量、高純度和高收集效率的壓縮光源。

其次，高斯玻色采樣在許多領域有著潛在的實際應用價值，可運用于量子化學、機器學習、圖優(yōu)化、制備量子糾錯碼等領域。但在當前的技術條件下，制備可編程、低損耗、足夠大規(guī)模的光學干涉儀，還存在巨大的挑戰(zhàn)。在高斯玻色采樣問題上，執(zhí)行運算的變換矩陣不僅與干涉儀有關，還與壓縮光的壓縮參數(shù)、相位有關。通過控制光源相位，“九章2.0”具備了部分可編程能力。相位可調的高斯玻色采樣已經具備了一定的潛在應用能力，如果以后能再實現(xiàn)干涉儀可調，那么將在很多實際領域有用武之地。另外，“九章2.0”的干涉儀規(guī)模也從之前的100模式提升到了144模式。

最終，“九章2.0”實現(xiàn)了113光子、144模式的部分可編程高斯玻色采樣，將在高斯玻色采樣問題上的量子優(yōu)越性，從經典超算“太湖之光”的1014倍大幅提高到1024倍。同時，“九章2.0”輸出狀態(tài)空間的維數(shù)達到了1043量級，這使問題的復雜度大大提升，更加難以被新的經典算法模擬。

在超導量子體系中，構建大規(guī)模的量子比特陣列，并實現(xiàn)對每一個量子比特極高精度的相干操縱極其困難。

“祖沖之2.0”通過對其上56個量子比特進行精微調控，在隨機線路采樣任務上實現(xiàn)了量子計算優(yōu)越性。這是目前公開發(fā)表的最大量子比特數(shù)的超導量子體系，高于此前“祖沖之”的62量子比特和2019年谷歌“懸鈴木”的53量子比特。其重要升級首先是引入可調耦合器，使得處理器的單比特門保真度和兩比特門保真度得到極大提升;其次采用倒裝焊封裝技術，解決二維排布量子芯片上的布線問題，極大減小信號串擾。

經過升級，整個處理器的綜合計算性能達到展示量子優(yōu)越性的門檻。T1壽命是衡量量子比特退相干的一個重要指標，更長的T1壽命意味著可以對量子比特進行更多的相干操作，完成更復雜的計算任務。“祖沖之2.0”芯片上的所有組件都能正常工作，66個比特的平均T1壽命達到31微秒，高于“懸鈴木”的16微秒。

五個候選方案正在競爭

圍繞量子計算的一大熱點問題，是哪種技術路徑將最終贏得比賽。目前，主要有五個經過充分論證的候選方案正在競爭：超導、離子阱、光量子、半導體量子點和冷原子。所有這些方案都是在20世紀90年代開創(chuàng)性的物理實驗和實現(xiàn)中開發(fā)提出的。

超導量子計算機方案是目前國際上進展最快的方案，擁有最多的技術追隨者，IBM和谷歌憑借其深厚的技術積累和雄厚的資金實力在該領域發(fā)展迅猛。與國外相比，中國在量子計算各路線的進展中，超導量子計算的實驗雖然起步較晚，但表現(xiàn)強勢。長遠來看，該條技術路線在未來較易實現(xiàn)規(guī)?；?/p>

離子阱技術路線的優(yōu)勢在于相干性好，可糾纏量子比特數(shù)目多，邏輯門保真度高。離子阱系統(tǒng)是美國政府資助最多的兩個量子計算研究方向之一，另一個是超導系統(tǒng)。除量子計算機以外，其還被廣泛應用于量子化學、相對論量子力學、量子熱力學等領域的量子模擬研究。離子阱量子計算至今已發(fā)展20余年，與超導量子計算的發(fā)展旗鼓相當。國際上，霍尼韋爾、IonQ和AQT在離子阱量子計算機的商業(yè)化方面進展較快。但國內對于離子阱量子計算機的實驗研究只有不到十年的時間。

我國在光量子計算的研究中處于國際領先水平。光量子是除超導量子和離子阱之外研究進展較快的技術路線，國際上，Xanadu和PsiQuantum是兩家發(fā)展較好的光量子計算機研制廠商。

由于半導體量子點計算機結合了當前的半導體工業(yè)技術，未來可以快速實現(xiàn)產業(yè)化，同時由于半導體量子比特體積較小，較超導技術路線和光量子技術路線而言更容易實現(xiàn)芯片化。但當前半導體量子比特的數(shù)量較少，且相干性較弱。國際上，美國英特爾、荷蘭代爾夫特理工大學和Qutech、澳大利亞SQC公司、日本理化學研究所(RIKEN)從事硅自旋量子比特方面的研發(fā)。

值得欣喜的是，中科大郭光燦院士團隊在硅基半導體鍺納米線量子芯片研究中取得了重要進展。由該團隊郭國平教授領銜的本源量子公司已推出第二代硅基自旋二比特量子芯片——玄微XWS2-200。

冷原子技術路線在進行量子模擬方面具有明顯優(yōu)勢。國際上，法國的PASQA研究團隊在2011年就開始建造由中性原子陣列制成的可編程量子模擬器。雖然我國在這一方面有所布局，但整體上參與的單位較少，研究時間也較短。

理論研究證明，針對一些任務，量子計算能比經典算法更快速、有效地完成任務。目前物理學界普遍的共識是，量子計算機不可能完全取代經典計算機，但在某些有特定難度的問題上將會取代經典計算機。(吳長鋒)

關鍵詞： 九章 祖沖之 量子計算 超導量子計算