潘建伟团队最新成果，“祖冲之号”实现5万多倍的量子优越性，反超谷歌！
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2021-07-04 10:07
大数据文摘出品
作者：Caleb
最近，根据报道，日本超级计算机“富岳”在“TOP500”、“HPCG”、“HPL-AI”、“Graph500”四大榜单中连续三期排名世界第一。
反观国内，量子计算领域新将“祖冲之号”也有着不俗表现。
既5月初登上Science后，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所研发的“祖冲之号”超导量子计算系统再次实现突破。
6月28日，在这篇名为《利用超导量子处理器实现量子计算优越性》的文章中，中科大团队宣称，使用“祖冲之号”超导量子计算系统中的56个qubit，实现了比当年谷歌Sycamore处理器53个qubit强2~3个数量级的量子优越性。
文章还指出，“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。
论文链接：
https://arxiv.org/abs/2106.14734
“祖冲之号”实现了优于谷歌的量子优越性
首先，我们来解决一个问题，量子比特数量最多意味着什么。
引用一下中国科学院科学传播研究中心副主任袁岚峰的说法，“首先它实现的事情是量子随机行走，它营造出了62个国际象棋棋盘上的空间，用这样一个模型，它可以实现通用量子计算。也就是说，量子计算能够实现的任何功能和计算任务都可以通过这样一种方式来实现”。
回到论文，如下图所示，可以看到，当量子比特数只有15个的时候，运行10个循环，总的操控保真度控制在20-30%之间。
相较于谷歌Sycamore，当量子比特数目只有12个左右的时候，运行14个循环，总的操控保真度不到40%。
对于操控保真度来说，如果低于50%，那就相当于错误比正确多。因此在这个意义上，“祖冲之号”的确要优于Sycamore。
同时，“祖冲之号”实现了平均99.86%的高保真度单量子比特门，和平均99.41%的双量子比特门，以及95.48%的输出。
根据知乎用户国产小栗旬的整理，从5个维度对世界上最顶尖的可编程量子计算机进行了横向对比，并表示，“祖冲之号排进世界Top3绝对没有问题”。
在比特数、门保真度和相干时间上，“祖冲之号”都超过了谷歌目前已发表的水平。
“单看这三个指标，基本可以宣布朱老师的超导系统是当之无愧的国内Top1，在世界上甚至可以排进Top3，直接对标谷歌、IBM这些工业巨头的量子计算机。”
列表中的数据基于已发表的论文和带有详细参数的官方通稿。IONQ QV 400万系统由于没有给出详细参数所以未被列入其中，九章由于暂时不可编程所以未被列入其中，量子点体系由于qubit数目暂时比较少所以未被列入其中。
对于“祖冲之号”的命名，研究团队共同通讯作者、中国科学技术大学上海研究院教授朱晓波表示，这是为了纪念我国杰出的数学家祖冲之。祖冲之首次将圆周率精算到小数第七位，他提出的“祖率”对数学研究有重大贡献。
在大尺度晶格上首次实现量子行走的实验观测
其实，早在5月，潘建伟团队就已经研制出了全球超导量子比特数量最多的量子计算原型机“祖冲之号”，这也宣告着全球最大量子比特数的超导量子体系的诞生。
题为《在可编程二维62比特量子处理器上的量子行走》的论文也得以在Science上发表。
论文链接：
https://science.sciencemag.org/content/372/6545/948/tab-pdf
量子行走是经典随机行走的量子力学模拟，是实现量子模拟、量子搜索算法甚至通用量子计算极为强大的工具。
“祖冲之号”可操纵的超导量子比特多达62个，而此前谷歌实现 “量子优越” 的Sycamore的53个量子比特。研究团队在大尺度晶格上首次实现了量子行走的实验观测，并实现对量子行走构型的精准调控，构建了可编程的双粒子量子行走。
正如论文写到：“我们设计和制造了一个由62个功能性量子位比特组成的8x8二维方形超导量子位阵列。我们使用该设备演示了高保真单粒子和两个粒子的量子步态。”
但朱晓波教授也曾在多个公开场合就特别说明，不能以数量多来判断量子计算机的性能，还需要考虑量子比特的质量，操控情况等。
二维超导量子比特芯片示意图, 每个橘色十字代表一个量子比特。
由于量子处理器的高度可编程性，研究者还研制出Mach-Zehnder干涉仪。“通过调整进化路径上的障碍，我们观察到了单行和双行的干扰条纹，”研究团队在论文中写道，“我们的工作是该领域的重要里程碑，使未来的大规模量子应用更接近在这些嘈杂的中型量子处理器上实现”。
网友：中国赶超水平令人惊叹
对此网友们也是表达了自己的惊讶和赞叹。
知乎网友Golden Horqin就表示，“作为国内的半个同行，考虑到这篇文章背后的技术——立体封装、可调耦合、高质量超导量子比特，也是由衷非常钦佩的。国内其他同行可能倍感压力吧，他们和潘院士团队的距离也许比潘院士团队和谷歌公司的距离还要大”。
链接：
知乎匿名用户甚至把科大和谷歌的比拼视为“侠客过招”，“谷歌先出招，科大先用自己国际领先的光量子抵挡了一招，然后再用对手的一模一样的招，以其人之道还制其人之身”。
该用户还补充到，“九章最让人激动人心的是中国的科学原创，一路领先。祖冲之号让人激动的是，中国赶超水平令人惊叹”。
知乎网友国产小栗旬感叹道：
朱老师从刚来到中科大到现在也才不过五六年的时间，却走完了Google Quantum Lab原老板John Martinis十多年的路。朱老师团队在不到 Google 1/2的时间，不足1/2的人数和不足1/10的经费的条件下，仍然能做到超越Google的水平。
正值中国共产党建党100周年纪念，“祖冲之号”的进步无疑是中国的骄傲，也希望能顺着这股势头，国内可以涌现更多强大的科研团队，在不同的领域各自开花散叶。
