中国超导量子计算原型机 “祖冲之号” 实现大突破

5月8日，中国科学技术大学公布，该校潘建伟院士团队近期成功研制了目前国际上超导量子比特数量最多的量子计算原型机“祖冲之号”，操纵的超导量子比特达到62个，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。日前，国际权威学术期刊《科学》发表了该研究成果。

五个月前，潘建伟院士团队宣布成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，让中国成为第二个拥有量子计算机的国家，打破了谷歌的量子霸权。这次研制成功的“祖冲之号”与上次“九章”量子计算机之间有什么区别？“祖冲之号”与其他IT巨头正在研发的量子计算机相比有何突破？“祖冲之号”未来的应用空间在哪里？未来的量子计算会如何发展？

关于“祖冲之号”与“九章”的区别，量子领域的有关专家接受《中国电子报》记者采访时表示：“前者是‘电学路线’量子计算机后者为‘光学路线’量子计算机，电学路线意味着有更好的产业化前景。目前包括IBM、英特尔、谷歌等全球IT巨头都在采用了电学路线，这意味着中国的量子计算能够与全球IT巨头在同一技术路线上展开较量。”

或许有人会问上一次的“九章”是实现了76个光量子，这次的“祖冲之号”的量子比特数是62个，为什么比上次的数量要少了呢？这究竟如何来看这两种技术路线的各自特点？专家表示，“光学路线”的优势是能够创造更多光量子，但其量子的可操控性要弱于“电学路线”，“电学路线”虽然量子数目实现的要少，但是其操控性、有效性等更强，而且电学路线可以将目前电子信息产业领域的大量制备进行复用，更容易产业化。

从量子计算能力或者说竞争力的指标上看，“量子比特数量”只是其中的一个维度，目前业界通常采用“量子体积”来衡量量子计算机强度，量子体积是IBM在2018年提出的一个测量量子计算机的强大程度的专用性能指标，其影响因素包括量子比特数、门和测量误差、设备交叉通信、以及设备连接和电路编译效率等。

关于量子计算机的研发目前全球有多条技术路线，超导量子计算属于“固态电学器件路线”是其中最有希望的候选者之一，也是最具产业化的量子计算路线，其核心研究目标是增加“可操纵”的量子比特数量，并提升操纵的精度，最终应用于实际问题。

中科大潘建伟、朱晓波、彭承志等人长期研究超导量子计算，先后实现了保真度达70％的12比特超导量子芯片、24个比特的高性能超导量子处理器等国际前沿成果。近期，他们在自主研制二维结构超导量子比特芯片的基础上，成功构建了目前国际上超导量子比特数目最多、包含62个比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”。

研究团队在二维结构的超导量子比特芯片上，观察了单粒子及双粒子激发情形下的量子行走现象，实验研究了二维平面上量子信息传播速度，同时通过调制量子比特连接的拓扑结构的方式构建马赫—曾德尔干涉仪，实现了可编程的双粒子量子行走。

据悉，该成果为在超导量子系统上实现量子优越性，以及后续研究具有重大实用价值的量子计算奠定了技术基础。此外，基于“祖冲之号”量子计算原型机的二维可编程量子行走，在量子搜索算法、通用量子计算等领域具有潜在应用，也将是后续重要的发展方向。

所以总结来看，这次潘建伟院士的“祖冲之号”量子计算机突破有几个关键词，其一是“超导电学量子计算路线”，其二是在超导量子计算上实现了最多的“量子比特”，“祖冲之号” 可操纵的超导量子比特多达62 个，此前谷歌实现“量子优越性” 的悬铃木具备53 个量子比特，这意味着在目前的公开报道中，“祖冲之号” 是世界上最大量子比特数的超导量子体系。其三是“二维可编程量子行走”。究竟什么是“二维可编程行走”？中国科学院科学传播研究中心副主任袁岚峰表示，“量子随机行走”是一个计算模型，一种算法，用这样一个模型，它可以实现通用量子计算，就是说量子计算能够实现的任何功能，就或者说是任何的计算任务都可以通过这样一种方式来实现。

目前合肥汇聚了包括潘建伟院士团体以及量子本源中国的量子研发团队与企业，是中国量子计算研究的重要区域，刚刚从合肥参观了量子计算机系统，来到广州参加2021世界超高清视频产业大会的中央戏剧学院教授宋震表示，一旦量子计算实现突破，将给我们生活与技术带来巨大的“代次”变革，我们将从“二维”跨入“四维”时代，混合智能空间艺术的跨时空传输就成为现实，那时候我们将不再需要键盘、电脑，可能不需要手机，甚至会出现虚拟陪伴，自己和喜欢的明星，用混合空间智能艺术和他对话。

美国工程院院士沈向洋曾经在接受《中国电子报》记者采访时坦言，或许我们今天还不知道量子计算的主流应用是什么，就像我们几十年前我们无法料想计算机会对这个世界带来的改变一样，量子计算发展会突破我们想象力的边界。

量子计算研发仍处于发展的早期，如同马拉松刚刚跑出一公里，中国的科学家正与全球的科学家一起努力往前奔跑。