56比特！潘建伟团队「祖冲之号」展示量子计算优越性，超越谷歌

机器之心报道

机器之心编辑部

6 月 28 日，由中科大中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队提交了一篇名为《利用超导量子处理器实现强量子计算优越性》的文章。

在该研究中，研究者表示使用祖冲之号超导量子计算系统中的 56 个量子比特，实现了比当年 Google Sycamore 处理器 53 个量子比特强 2 至 3 个数量级的量子优越性。

文章指出，「祖冲之号」将现存功能最强大的超级计算机需 8 年完成的任务样本压缩至最短 1.2 小时完成，从而证明了量子计算的巨大优越性。

不论是从量子比特数目、保真度，还是在 T1 寿命等指标上，祖冲之号的超导量子计算系统都实现了国内领先，全球前三的水平。

论文链接：https://arxiv.org/abs/2106.14734

在该论文上传 arXiv 后，即引起了大家广泛的关注。在知乎热榜上，有网友表示，「在资金、人员投入远远少于 Google 的情况下，取得现在的成绩很是不易。」

这篇在预印版平台上提交的论文，根据格式来看可能将投至《物理评论快报》PRL 上，按照正常审稿流程，它还需要经过一段时间才算正式发表。

实现 56 比特量子优越性

从论文中，我们可以看到潘建伟团队实现量子优越性的关键数据。

下图为祖冲之号量子处理器示意图。如图（a），该处理器由两块蓝宝石芯片组成，一块载有 66 个量子比特和 110 个耦合器，每个量子比特都与相邻的四个量子比特相接，处于边界处的量子比特除外；另一块载有读出器和控制线及布线。这两块芯片与铟柱直线对齐并且边界相连。图（b）是量子比特个耦合器的简化电路图。

在这项工作中，研究者选取了其中的 56 个量子比特来展示随机电路采样，这些量子比特经过优化以实现经典模拟中的最佳计算复杂度。下图 2 展示了单量子比特门、双量子比特门和选取的 56 个量子比特的读出性能（readout performance）。

为了具体描述该量子处理器的整体性能，研究者采用随机量子电路（random quantum circuit ）采样任务来进行基准测试。随机量子电路是展示量子计算优势的典型代表，并在认证随机比特、误差纠正和流体动力模拟方面具有潜在应用。

下图 3 为 56 个量子比特随机量子电路操作。该电路可分为 m 个周期，每个周期有一层单量子比特门和双量子比特门。

下图 4 为随机量子电路的实验结果。(a) 具有 15-56 量子比特和 10 个周期的随机量子电路的结果。(b) 56 量子比特和 12-20 个周期的随机量子电路的结果。

祖冲之号

2019 年，潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的超导量子实验团队先后实现了保真度达到 70% 的 12 比特超导量子芯片和 24 比特的超导量子处理器，这两项研究成果均在《物理评论快报》上发表。

在今年 5 月份，潘建伟团队 Science 发布论文宣称成功研制出 62 比特可编程超导量子计算原型机「祖冲之号」，目前在国际上超导量子比特数量最多，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走（quantum walk）。

文章链接：https://science.sciencemag.org/content/early/2021/05/05/science.abg7812/tab-figures-data

量子行走是经典随机游走的量子力学模拟，也是量子模拟、量子搜索算法以及通用量子计算中非常强大的一种工具。在潘建伟团队此次的研究中，他们研制出了一个包含 62 个功能性量子比特的 8x8 二维方形超导量子比特阵列，并使用该装置演示了高保真单粒子和双粒子的量子行走。

下图为 62 比特超导量子处理器的布局和架构，其中 A 为二维示意图，B 为量子比特阵列单元的电路图，C 为量子比特标签：

二维超导量子比特阵列上的量子行走相关演化过程如下图所示：

此外，得益于量子计算原型机的高度可编程性，研究者通过调制量子比特连接的拓扑结构实现了一个马赫 - 曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪，其中量子 walker 在干涉和射出之前沿两条路径运动，实现了可编程的双粒子量子行走。

通过调整演化路径上的障碍，研究者观察到了单个和两个 walker 的干涉条纹。

下图左为单粒子 Mach-Zehnder 干涉仪，图右为 Mach-Zehnder 干涉仪中的两个 walker：

随着激发数和处理器尺寸的增加，多个 walker 的实现将推动我们在超导量子系统上实现量子优越性。

研究者表示，这项研究成果是该领域的重要里程碑，有助于未来大规模量子应用在中型量子处理器上的进一步实现。

此次在祖冲之号上，实现超越谷歌的量子优越性，也是大秀了一把肌肉，赶超国际的水平令人惊叹。