中國科大中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院（以下簡稱量子創(chuàng)新研究院）潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，成功研制了62比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號”，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了可編程的二維量子行走。相關(guān)研究成果于2021年5月7日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上。

量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面（如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等）相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級別的加速。當(dāng)前，量子計(jì)算機(jī)研制作為世界科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一，已經(jīng)成為歐美各發(fā)達(dá)國家競相角逐的焦點(diǎn)。超導(dǎo)量子計(jì)算，作為最有希望實(shí)現(xiàn)可拓展量子計(jì)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?cái)?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(shí)現(xiàn)對特定問題處理速度上的指數(shù)加速，并最終應(yīng)用于實(shí)際問題中。

潘建偉、朱曉波、彭承志等長期瞄準(zhǔn)超導(dǎo)量子計(jì)算的上述核心目標(biāo)，取得了一系列重要進(jìn)展。2019年初，在一維鏈結(jié)構(gòu)12比特超導(dǎo)量子芯片上實(shí)現(xiàn)了12個(gè)量子比特糾纏“簇態(tài)”的制備，保真度達(dá)到70％（Phys. Rev. Lett. 122, 110501 (2019)），打破了之前創(chuàng)造的10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏的紀(jì)錄。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地將超導(dǎo)量子比特應(yīng)用到量子行走的研究中,為未來多體物理現(xiàn)象的模擬以及利用量子行走進(jìn)行通用量子計(jì)算的研究奠定了基礎(chǔ)（Science 364, 753 (2019)）。隨后，團(tuán)隊(duì)將芯片結(jié)構(gòu)從一維擴(kuò)展到準(zhǔn)二維，制備出包含24個(gè)比特的高性能超導(dǎo)量子處理器，并首次在固態(tài)量子計(jì)算系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了超過20比特的高精度量子相干調(diào)控(Phys. Rev. Lett. 123, 050502 (2019))。

近期，該團(tuán)隊(duì)在自主研制二維結(jié)構(gòu)超導(dǎo)量子比特芯片的基礎(chǔ)上，成功構(gòu)建了國際上超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)目最多、包含62個(gè)比特的可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號”，并在該系統(tǒng)上成功進(jìn)行了二維可編程量子行走的演示。研究團(tuán)隊(duì)在二維結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)量子比特芯片上，觀察了單粒子及雙粒子激發(fā)情形下的量子行走現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)研究了二維平面上量子信息傳播速度，同時(shí)通過調(diào)制量子比特連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方式構(gòu)建馬赫-曾德爾干涉儀，實(shí)現(xiàn)了可編程的雙粒子量子行走。該成果為在超導(dǎo)量子系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性展示及可解決具有重大實(shí)用價(jià)值問題的量子計(jì)算研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。此外，基于“祖沖之號”量子計(jì)算原型機(jī)的二維可編程量子行走在量子搜索算法、通用量子計(jì)算等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。

圖: 二維超導(dǎo)量子比特芯片示意圖, 每個(gè)橘色十字代表一個(gè)量子比特。

（上述項(xiàng)目受到了中國科學(xué)院、安徽省、科技部、上海市和基金委的支持。）

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/early/2021/05/05/science.abg7812

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）


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