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科研進展

2021年10月26日
中國科大成功實現超導體系“量子計算優越性”

愛游戲app中科院(yuan)量(liang)(liang)(liang)子信(xin)息與量(liang)(liang)(liang)子科技創新(xin)研究(jiu)院(yuan)潘(pan)建(jian)偉、朱(zhu)曉(xiao)波、彭(peng)承志等組成的研究(jiu)團(tuan)隊與中科院(yuan)上海技術物理研究(jiu)所合(he)作,構建(jian)了(le)(le)66比(bi)特可編(bian)程超導量(liang)(liang)(liang)子計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)原型機(ji)“祖沖之二號”,實(shi)現(xian)了(le)(le)對“量(liang)(liang)(liang)子隨機(ji)線(xian)路取樣”任務的快(kuai)速求解(jie)。根據現(xian)有理論(lun),“祖沖之二號”處(chu)理的量(liang)(liang)(liang)子隨機(ji)線(xian)路取樣問題的速度比(bi)目前最快(kuai)的超級(ji)計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)機(ji)快(kuai)7個數(shu)量(liang)(liang)(liang)級(ji),計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)復雜度比(bi)谷歌公開報道的53比(bi)特超導量(liang)(liang)(liang)子計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)原型機(ji)“懸鈴(ling)木”提高了(le)(le)6個數(shu)量(liang)(liang)(liang)級(ji)(“懸鈴(ling)木”處(chu)理“量(liang)(liang)(liang)子隨機(ji)線(xian)路取樣”問題比(bi)經(jing)典超算(suan)(suan)快(kuai)2個數(shu)量(liang)(liang)(liang)級(ji)),這一(yi)成果是我國繼(ji)光量(liang)(liang)(liang)子計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)原型機(ji)“九章”后在超導量(liang)(liang)(liang)子比(bi)特體系首次達到“量(liang)(liang)(liang)子計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)優(you)越性(xing)”里(li)程碑,使(shi)得我國成為(wei)目前唯一(yi)同時在兩種物理體系都達到這一(yi)里(li)程碑的國家。相關論(lun)文發表(biao)在《物理評論(lun)快(kuai)報》和(he)《科學通報》上。

圖一:祖沖之(zhi)二(er)號(hao)量子處(chu)理(li)器(qi)圖

量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)(suan)機(ji)(ji)對特(te)(te)(te)定(ding)問題(ti)的(de)(de)(de)(de)求解超(chao)(chao)越超(chao)(chao)級計(ji)算(suan)(suan)機(ji)(ji),即量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)(suan)優(you)越性,是(shi)量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)(suan)發展(zhan)的(de)(de)(de)(de)第一個(ge)里程碑,達(da)到(dao)該里程碑需(xu)要相干操(cao)縱50個(ge)以上量(liang)子(zi)比(bi)特(te)(te)(te)。超(chao)(chao)導量(liang)子(zi)比(bi)特(te)(te)(te)是(shi)國際(ji)公(gong)認的(de)(de)(de)(de)有望實現(xian)可擴展(zhan)量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)(suan)的(de)(de)(de)(de)物理體系之一。潘建偉、朱曉波、彭承(cheng)志等長期瞄準超(chao)(chao)導量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)(suan)領域,于(yu)2021年5月(yue)構建了(le)當(dang)時國際(ji)上量(liang)子(zi)比(bi)特(te)(te)(te)數目最多的(de)(de)(de)(de)62比(bi)特(te)(te)(te)超(chao)(chao)導量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)(suan)原型(xing)機(ji)(ji)“祖(zu)沖之號”,并(bing)實現(xian)了(le)可編(bian)程的(de)(de)(de)(de)二維量(liang)子(zi)行走 [Science 372, 948 (2021)]。

團隊在“祖沖之號”的基礎上,采用全新的倒裝焊3D封裝工藝,解決了大規模比特集成的問題,研制成功“祖沖之二號”,實現了66個數據比特、110個耦合比特、11路讀取的高密度集成,最大態空間維度達到了1019。“祖沖之二號”采用可調耦合架構,實現了比特間耦合強度的快速、精確可調,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,研究人員實現了對量子隨機線路取樣,演示了“祖沖之二號”可用于執行任意量子算法的編程能力。根據目前已公開的最優化經典算法,“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7個數量級,計算復雜度較谷歌“懸鈴木”提高了6個數量級。

量(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)算(suan)優越性的成功演示(shi)標志著量(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)算(suan)研究進(jin)入到發展的第二(er)(er)階段(duan),開始量(liang)子(zi)(zi)(zi)糾錯(cuo)和近(jin)(jin)期(qi)應用(yong)的探索(suo)。“祖沖(chong)之二(er)(er)號(hao)”采用(yong)二(er)(er)維網格比特排布芯片架構(gou),直接兼容(rong)表面碼(ma)量(liang)子(zi)(zi)(zi)糾錯(cuo)算(suan)法,為量(liang)子(zi)(zi)(zi)糾錯(cuo)并(bing)進(jin)一步實現通用(yong)量(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)算(suan)奠(dian)定了基礎。同(tong)時,“祖沖(chong)之二(er)(er)號(hao)”的并(bing)行高保真度量(liang)子(zi)(zi)(zi)門操控能(neng)力和完(wan)全(quan)可編程能(neng)力,有望在特定領(ling)域找到有實用(yong)價值的應用(yong),預(yu)期(qi)應用(yong)包括(kuo)量(liang)子(zi)(zi)(zi)機器(qi)學(xue)習(xi)、量(liang)子(zi)(zi)(zi)化學(xue)、量(liang)子(zi)(zi)(zi)近(jin)(jin)似(si)優化等。

圖二:量子隨(sui)機(ji)線路(lu)取樣保真度(du)隨(sui)線路(lu)深度(du)的變化及目(mu)前最快的超(chao)級計算機(ji)“富岳”完(wan)成相同任務需要(yao)的時間。

上述項目受到了安徽(hui)省、上海市、科(ke)技部(bu)和中科(ke)院(yuan)的支(zhi)持。

論(lun)文鏈接:


(合肥微(wei)尺度物質科(ke)學國家研究中(zhong)心、中(zhong)科(ke)院量子信(xin)息與量子科(ke)技創(chuang)新研究院、科(ke)研部)

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