潘建偉團(tuán)隊再次展示量子計算優(yōu)越性！1.2小時完成超算8年計算量
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潘建偉團(tuán)隊宣稱又一次實現(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”！
世界最強(qiáng)的超級計算機(jī)8年才能完成的任務(wù)，用“祖沖之號”量子計算機(jī)最短1.2個小時就能實現(xiàn)。
這距離我國2020年12月4日首次實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性，僅僅過去了7個月。
這項工作由潘建偉、朱曉波、彭承志帶隊完成，相關(guān)論文預(yù)印版已上傳至arXiv上。
這次的“祖沖之號”與當(dāng)年谷歌宣稱實現(xiàn)量子霸權(quán)的Sycamore量子計算機(jī)，都采用了超導(dǎo)量子計算。
這是目前最有希望實現(xiàn)可拓展量子計算的候選者之一。
其核心目標(biāo)是如何同步地增加所集成的量子比特數(shù)目以及提升超導(dǎo)量子比特性能，從而能夠高精度相干操控更多的量子比特，實現(xiàn)對特定問題處理速度上的指數(shù)加速。
總而言之就是一個字——快。
“祖沖之號”使用56個量子比特，就比Google Sycamore量子計算機(jī)53個量子比特強(qiáng)2~3個數(shù)量級的量子優(yōu)越性。
所以論文以“Strong quantum computational advantage”為題，代表更能證明量子計算的優(yōu)越性。
此外，此次“祖沖之號”可以稱得上是2.0版本，在量子相干時間等方面都有了很大的提升。
祖沖之號
祖沖之號于今年5月剛剛研制成功，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)編程的二維量子行走，論文發(fā)表在當(dāng)月Nature上。
這次祖沖之號所用的量子處理器由66個Transmon量子比特組成，比5月剛研制成功時又增加了4個。
這些量子比特排列成11*6的晶格。
Transmon本質(zhì)上是一種非線性振蕩器，其非線性來源于超導(dǎo)約瑟夫效應(yīng)。非線性振蕩器的最低兩個能級被挑出來，就形成一個量子比特。
兩個量子比特之間由一個頻率更高的Transmon連接作為耦合器，可以快速調(diào)整相鄰的量子比特之間的耦合強(qiáng)度。
這樣的量子處理器的實現(xiàn)了高保真的單量子比特門（保真度平均99.86%）和雙量子比特門（平均99.41%），以及95.48%的讀出。
為了驗證量子處理器的性能，團(tuán)隊選取了其中的56個量子比特進(jìn)行20個周期的隨機(jī)量子電路采樣任務(wù)，創(chuàng)造了挑戰(zhàn)經(jīng)典計算機(jī)的新紀(jì)錄。
量子計算全球競爭激烈
值得一提的是，在中科大發(fā)布此次成果后的第二天，IBM也宣布了在量子領(lǐng)域的下一步計劃。
他們宣布，將在2023年之前建立一個有1211個量子比特的系統(tǒng)；未來將向100萬以上量子比特的系統(tǒng)發(fā)起挑戰(zhàn)。
全球量子計算領(lǐng)域的激烈競爭，可見一斑。
2019年，谷歌最早宣布實現(xiàn)“量子霸權(quán)”。
他們宣稱，利用Sycamore量子計算機(jī)的53個量子比特，可以在200秒內(nèi)處理世界超算1萬年才能完成的任務(wù)。
不過這一結(jié)論很快遭到了IBM研究人員的質(zhì)疑，并在arXiv上刊出了他們的成果。
IBM在文章中指出，利用他們的方法，經(jīng)典超級計算機(jī)可以在2.5天內(nèi)以更高的保真度完成相同的計算任務(wù)。
2020年12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)發(fā)布使用76個光子的量子計算機(jī)“九章”，并宣布實現(xiàn)量子優(yōu)越性。
由此，我國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。
不過，“九章”量子計算機(jī)目前還不能通用于玻色采樣以外的其他計算，不具備通用性。“祖沖之號”所應(yīng)用的超導(dǎo)量子計算更有希望在實際中應(yīng)用。
近年來，谷歌、IBM等公司紛紛對外宣稱成功開發(fā)出了大數(shù)量（50以上）量子比特的量子計算原型機(jī)。
但實現(xiàn)量子計算的關(guān)鍵參數(shù)不僅僅是量子比特數(shù)量，還有系統(tǒng)的保真度。
隨著量子比特數(shù)量和循環(huán)次數(shù)的增加，保真度都會急劇下降，錯誤率會相應(yīng)上升。
因此，量子計算機(jī)距離走向?qū)嶋H應(yīng)用，目前還比較遙遠(yuǎn)。
值得一提的是，就在最近潘建偉團(tuán)隊還有另一項研究成果發(fā)表。
研究出了迄今為止最快的實時量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（QRNG），速度達(dá)18.8Gb。
其尺寸只有15.6×18.0毫米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大多數(shù)QNRG模塊或儀器。
目前，這項成果已發(fā)表在《應(yīng)用物理快報》上。
本次論文：
https://arxiv.org/abs/2106.14734
祖沖之號論文：
https://science.sciencemag.org/content/372/6545/948
