“祖冲之号”量子计算原型机实现量子行走

　　中国科学技术大学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，成功研制了62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。这是实现更大规模量子模拟，甚至迈向通用量子计算的一条途径。

　　这篇名为《在可编程二维62比特量子处理器上的量子行走》的论文5月7日发表在《科学》杂志。审稿人称“在大尺度晶格上首次实现了量子行走的实验观测……这是一项清晰而令人赞叹的实验”。

　　量子计算机是全球科技前沿的重大挑战之一，也是世界各国角逐的焦点。超导量子计算已成为最具希望的候选者之一，它的核心目标是增加“可操纵”的量子比特数量，通过提升操纵精度来实现落地应用。

　　“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“量子优越性”的“悬铃木”为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。

　　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。研究团队表示：“我们设计和制造了一个由62个功能性量子位比特组成的8×8二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。”

　　由于量子处理器的高度可编程性，研究者还实现了一个被称为马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）的干涉仪。“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。”

　　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，之所以命名为“祖冲之号”，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。

　　潘建伟和朱晓波、彭承志等带头的团队多年来专注于研究超导量子计算，此次“祖冲之号”的最新成果是建立在12个比特超导量子芯片、24个比特的高性能超导量子处理器等成果之上。

　　不过上述研究仍为科学实验阶段，仅演示了系统功能，尚未实现所谓的“量子优越性”，这区别于此前谷歌的量子计算机“悬铃木”。目前团队正在开展相关工作，以实现“量子优越性”。

　　量子计算和经典计算的竞争是一个长期的动态过程。量子计算机与经典计算机的显著差异在于，传统的计算机存储数据的方式是0或者1，这就好比一个开关，只有“开”和“关”两种状态；而量子计算机存储数据方式是依赖量子比特，可以是介于0和1之间的任何状态，这令其速度更快。

　　超导量子计算具备较好的工艺可扩展性，因此也被广泛认为是最有可能率先实现通用量子计算的方案之一。在原理上，量子计算机具备超快的并行计算能力，未来有望通过特定算法，提供高于传统计算机指数级别的加速能力，并有望用于天气预报、材料设计、密码破译、大数据优化、药物分析等领域。

　　“祖冲之号”的问世，将为促进中国在超导量子系统上实现量子优越性奠定了技术基础，也为后续具有重大实用价值的通用量子计算的研发提供支持。不过，有业内人士人表示，量子计算技术还处于极早期阶段，尚不具备产业投资价值。（科文）