「九章」和「祖冲之」再升级，中国实现「量子计算优越性」

编辑/雪松&凯霞

量子计算机的出现有望比当前的经典计算机以指数方式更快地解决某些计算任务。受量子硬件发展的限制，量子计算过去几十年一直处于小规模论证阶段。

近期，得益于超导和光子平台的重大进展，人们期待已久的量子计算优势或至高无上的里程碑，先后使用量子处理器 Sycamore、「九章」和「祖冲之」实现。

近日，中科院量子信息与量子科技创新研究院科研团队在超导量子和光量子两种系统的量子计算方面取得重要进展，使我国成为目前世界上唯一在两种物理体系达到「量子计算优越性」里程碑的国家。

经过研究攻关，超导量子计算研究团队构建了 66 比特可编程超导量子计算原型机「祖冲之二号」，实现了对「量子随机线路取样」任务的快速求解，比目前最快的超级计算机快一千万倍，计算复杂度比谷歌的超导量子计算原型机「悬铃木」高一百万倍，使得我国首次在超导体系达到了「量子计算优越性」里程碑。

同时，光量子计算研究团队构建了 113 个光子 144 模式的量子计算原型机「九章二号」，处理特定问题的速度比超级计算机快亿亿亿倍，并增强了光量子计算原型机的编程计算能力。为未来面向通用量子计算机的研制打下了基础。

加拿大卡尔加里大学教授 Barry Sanders 发表评述文章称：

「这两个实验代表了实验量子采样的快速进步，使这些演示的经典欺骗越来越不可能，从而更坚定地证明我们正处于量子计算的首要时代。」

中国科学技术大学教授陆朝阳：

「我们把之前的九章光量子计算机从之前的 76 个光子增加到了 113 个光子，比超级计算机快亿亿亿倍。超导量子比特与光量子比特是国际公认的有望实现可扩展量子计算的物理体系。量子计算机对特定问题的求解超越超级计算机即量子计算优越性，是量子计算发展的第一个里程碑。」

中国科学院院士潘建伟：

「下一步我们希望能够通过 4 到 5 年的努力实现量子纠错，在使用量子纠错的基础之上，我们就可以来探索用一些专用的量子计算机或者量子模拟机来解决一些具有重大应用价值的科学问题。」

祖冲之

祖冲之 2.0

在证明量子计算优势以指数方式超越经典硬件和算法改进时，通过高精度控制扩展到大量量子比特是必不可少的。

在这里，研究团队开发了一种二维可编程超导量子处理器——祖冲之，它由 66 个功能量子比特组成，采用可调耦合架构。通过随机量子电路采样以进行基准测试，系统大小最多为 56 个量子比特和 20 个周期。该任务的经典模拟的计算成本估计比之前在 53 量子比特 Sycamore 处理器上的工作高 2-3 个数量级。

10 月 25 日，该研究成果以「Strong Quantum Computational Advantage Using a Superconducting Quantum Processor」为题发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180501

扩大高保真超导量子处理器在芯片制造和量子比特控制方面面临重大挑战。

现在，该研究团队在构建更大规模、高性能的超导量子计算系统方面取得了进展，将其命名为祖冲之 2.0。

量子处理器采用二维可调耦合架构设计和制造，共包含 66 个量子比特。该处理器可实现高保真单量子比特门（平均 99.86%）和双量子比特门（平均 99.41%）以及读出（平均 95.48%），同时对多个量子比特执行同步门操作。

图示：祖冲之量子处理器的器件示意图。（来源：论文）

随机量子电路基准测试为了表征量子处理器的整体性能，研究人员采用 56 个量子比特随机量子电路采样任务进行基准测试。

研究发现：处理器能够以高达 56 个量子比特和 20 个周期的系统大小完成采样任务。此外，观察到的每个电路的保真度，以及 XEB（交叉熵基准测试）保真度随量子比特 n 和周期 m 的衰减，与通过单个操作的简单乘法计算得出的预测保真度非常匹配。

这一结果提供了令人信服的证据，以确认每个单独操作的错误相关性低，包括单量子比特门和双量子比特门，以及读出，这是量子纠错的关键方面。

图示：56 量子比特随机量子电路操作。（来源：论文）

计算成本估算接下来，研究人员估计了 20 个周期的 56 量子比特随机量子电路的经典计算成本。该估计基于两种被认为是经典模拟量子电路的最新技术的经典算法，即张量网络算法和薛定谔-费曼算法。

使用张量网络算法或薛定谔-费曼算法，56 量子比特 和 20 周期 随机电路的样本任务的经典计算成本比 Sycamore 处理器高出约 2-3 个数量级。这表明最新的工作显着扩大了量子设备的计算优势与经典模拟之间的差距。

此外，据估计祖冲之在大约 1.2 小时内完成的采样任务将需要最强大的超级计算机至少 8 年。

研究人员表示：「我们期望这种大规模、高性能的量子处理器能够让我们在不久的将来追求超越经典计算机的有价值的 NISQ 量子应用。」

该工作建立了明确的量子计算优势，这在合理的时间内对于经典计算是不可行的。高精度和可编程的量子计算平台为探索新的多体现象和实现复杂的量子算法打开了一扇新的大门。

祖冲之 2.1

祖冲之 2.1 是祖冲之 2.0 的升级版，研究团队设计并制造了一种名为祖冲之 2.1 的新型 66 量子比特二维超导量子处理器。

该研究以「Quantum Computational Advantage via 60-Qubit 24-Cycle Random Circuit Sampling」为题于 10 月 25 日发表在《Science Bulletin》上。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927321006733

与祖冲之 2.0 相比，祖冲之 2.1 的读出性能大幅提升至平均保真度 97.74%，而单量子位门和双量子位门的平均保真度分别为 99.84% 和 99.40%。

基于这种最先进的量子处理器，实验实现了系统规模高达 60 个量子比特和 24 个周期的随机量子电路采样。

祖冲之 2.1 被设计和制造为由 66 个 Transmon 量子位组成的二维矩形超导量子位阵列。

图示：祖冲之 2.1 量子处理器器件原理图。（来源：论文）

祖冲之 2.1 首先对读出性能进行了升级，其读出保真度平均可达 97.74%，最高可达 99.1%。读出性能的巨大改进在我们实现更大更深的随机量子电路采样方面发挥着关键作用。

图示：所选 60 个量子比特的读出、单量子位门和双量子位门性能。（来源：论文）

在祖冲之 2.1 中，采用一种新的校准方法，称为 4-patch 校准，以基于双量子比特 XEB 获得的原始门参数来识别类 iSWAP 门的参数。

结果表明，所有保真度都得到了很大的提高，并且与预测的保真度非常匹配，表明优化后的参数对不同的量子电路具有适应性。此外，两个变体电路的行为更符合全电路。

图示：60 量子比特随机量子电路，4-patch 校准，15-60 量子比特 10 周期电路结果。（来源：论文）

计算成本估算采用张量网络算法，来估计最大的具有 60 个量子比特和 24 个周期的电路的经典计算成本。

使用张量网络算法，祖冲之 2.1 在 60 个量子比特和 24 个周期的采样任务上比 Sycamore 上最难的任务高出 6 个数量级，比祖冲之 2.0 高出 5000 倍。

使用最先进的经典算法和超级计算机进行经典模拟随机电路采样实验的时间需要数万年（约 48,000 年），而祖冲之 2.1 仅需约 4.2 小时，从而显着提升量子计算优势。

综上所述，高性能超导量子计算系统祖冲之 2.1 实现了 60 量子比特、24 周期的更大规模随机量子电路采样，产生的希尔伯特空间维数高达 2^60。

九章

研究人员报告了相位可编程高斯玻色子采样 （GBS），它从 144 模式光子电路中产生多达 113 个光子检测事件。

在这项工作中，研究人员为可扩展的 GBS 开发了一种具有高亮度、同时纯度和效率接近统一的受激挤压光源。此外，通过利用 GBS 的一个重要特征——采样矩阵吸收干涉仪的作用以及输入状态的相位和压缩参数——研究人员在新的光子量子电脑「九章 2.0」中，展示并验证了具有 113 个检测光子的相位可编程 GBS。

这种光子量子计算机，产生的希尔伯特空间维数高达约 10^43，采样率比在经典超级计算机上使用蛮力模拟快约 10^24。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180502

压缩光子的受激发射受受激辐射光放大 （LASER） 概念的启发，研究人员设计了一种基于压缩态受激发射的新型可扩展量子光源。

通过调谐石英楔形板来改变反射泵浦激光器和 TMSS 之间的相对相位，研究人员观察到 TMSS 亮度的干涉条纹。干扰可见度为 0.951，显示了种子和受激 TMSS 的模式匹配程度。在相长干涉下，与之前的单程方案相比，受激过程将光源的亮度提高了约 3 倍。

在这项工作中，在 125μm（65μm）focal waists，测得的收集效率为 0.918（0.864），同时光子纯度为 0.961（0.946），没有任何窄带滤波。研究人员注意到该双通方案可以直接扩展到更高阶并产生更高的亮度；这可以作为可扩展且接近最优的量子光源。

图示：关键实验参数。（来源：论文）

144 模式锁相干涉仪研究人员使用受激方案生成了 25 个 TMSS 源，并将它们发送到 144 模式干涉仪。与单光子之间没有相位关系的 Fock 状态玻色子采样相反，GBS 依赖于光子数的相干叠加。为此，研究人员开发了整个光路的主动锁相和干涉仪内部的被动稳定。整个系统的相位波动控制在 0.06 弧度以内，持续 1 小时。这种相位不稳定性将导致光子干涉能见度降低约 0.5%。

验证 GBS研究人员在不同的激光泵浦功率（从 0.15 到 1.6 W）和 focal waists（65 和 125 μm）下执行 GBS，这会产生不同的光子数分布。下图显示了四个示例，其中最大输出点击次数范围为 32 到 113。

图示：GBS 的验证。（来源：论文）

为了验证获得的样本，研究人员为 GBS 的正确操作提供了证据，并排除了使用可能的欺骗方法的模型。

GBS 经典可模拟性的限制GBS 容易受到实验缺陷的影响，这些缺陷可能会降低光子干涉的质量。GBS 中的主要噪声源是光子损失、光子可区分性、干涉仪上的噪声和探测器暗计数。

为了论证结果对基于边际分布的模拟方案的稳健程度，该团队研究了数据集中存在的截断高阶相关性。截断的 k 阶相关性量化了相应「k-体」边缘无法通过「1-体」到 「（k − 1）-体」重合的边缘输出分布来解释的程度。

图示：GBS 机器的截断相关函数。（来源：论文）

相位可编程 GBSGBS 中的变换矩阵由干涉仪和输入 TMSS 的挤压参数和相位决定。在这里，研究人员通过设置输入 TMSS 的 30 组不同的随机相位来证明 GBS 量子计算机的可编程性。为了改变相位，将可调电延迟线添加到每个 TMSS 锁相的参考信号中。

图示：GBS 机器的可编程性。（来源：论文）

同时，研究人员进一步研究了实验样本的两点相关函数的统计特性、它们的理论预测以及具有热态和可区分光子的两个模型。

经典计算成本量子计算实验正在迅速进入规模和复杂性不断增加的新领域。一个特征是输出希尔伯特空间维数。下图绘制了玻色子采样和随机电路采样实验的计算状态空间维度，其中当前的工作达到了 ∼10^43 的新记录。量子优势比（与经典计算机的直接模拟相比）作为最大检测到的光子点击的函数。基于蛮力模拟，在这项工作中观察到 10^24 的暂定量子优势比。

图示：希尔伯特空间的维数和量子优势比。（来源：论文）

研究人员表示，GBS 已经链接到几个潜在的应用程序，例如量子化学、图形优化和量子机器学习。通过仅调整挤压参数和相位，当前设置已经可以用于量子机器学习。下一步是使用这里开发的 GBS 量子计算机作为专用光子平台来研究这些算法是否可以提供任何量子加速。最后，由馈入线性光学网络并随后进行光子检测的压缩态组成的量子光学装置可用于创建不同的纠缠态族。

该团队通过在两个独立的系统中证明量子首要性来建立一个难以质疑的优势：一个是光子系统，另一个是超导系统。在每种情况下，目标都是增加粒子数（例如干涉仪中的光子数或超导电路中的量子位数）以及电路深度，从而达到经典模拟结果从未到达的程度。在这样做时，这些方法使得对量子首要性的反驳越来越难以证明。他们还指出了通往更大规模量子采样实验的道路，这可能会使经典与量子的争论真正过时。

Barry Sanders 表示：「鉴于量子机器以远远优于经典模拟器的方式解决了如此令人印象深刻的大型采样问题，我们是否可以使用这些量子采样器来解决有用的计算问题？研究人员声称这种采样器有很多有意义的问题需要解决，特别是在量子化学领域，但尚未有令人信服的实验证明。这些实验进一步推动了将量子采样投入实际应用的努力。」

尽管有了这些突破，但还需要解决量子纠错等难题，量子实用化方面仍旧需要继续努力。

参考内容：

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/10/467759.shtm

https://physics.aps.org/articles/v14/147