九章|“九章”“祖冲之”双升级量子计算的未来来了吗
超导量子计算作为一种固态量子计算方案具有可扩展性好、量子比特相干时间长、操作速度快、保真度高、加工工艺成熟等优点；而光学体系具有光子易于操纵、退相干很小、室温下运行以及可用于长距离通信等优点，因此它们都是量子信息领域备受关注的物理实现平台 。
近日，中国科学技术大学（以下简称中科大）潘建伟团队研制出66比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之2.0”，在随机线路采样任务上实现了量子计算优越性，所完成任务的难度比2019年谷歌“悬铃木”高2—3个数量级 。
与此同时，潘建伟团队升级版“九章2.0”极大地提高了量子优势：对于高斯玻色采样问题，1年前的“九章”一分钟可以完成的任务，世界上最强大的超级计算机需要花费亿年时间；而“九章2.0”一分钟完成的任务，超级计算机花费的时间要再增加百亿倍 。并且“九章2.0”还具有了部分可编程的能力 。
“九章2.0”和“祖冲之2.0”的出现，使我国成为唯一在两个物理体系中实现量子计算优越性的国家 。
实现量子计算优越性的主赛道
量子计算强大的计算能力将给人类社会带来颠覆性的改变 。然而，量子态脆弱而敏感，极易受到周围环境噪声的影响，在实际的物理体系中建造一台量子比特数足够多、操控保真度足够高的量子计算机要面临极大挑战 。
2012年，加州理工学院教授、物理学家约翰·裴士基（John Preskill）提出，在达成通用量子计算这一长远目标之前，应该再设立两个阶段性的里程碑，其中第一个就是量子计算优越性 。
最初科学家们用来展示量子计算优越性的特定任务，一定是精心设计、非常适合量子计算设备发挥其计算潜力的任务 。这个任务不一定有实际价值，而主要用来证实量子计算的巨大潜力，同时在技术和理论上，能够为之后的发展铺设道路 。
科学家们正基于多种物理体系和途径，利用不同体系的特性和优势来开展量子计算研究 。其中，超导量子计算作为一种固态量子计算方案具有可扩展性好、量子比特相干时间长、操作速度快、保真度高、加工工艺成熟等众多优点；而光学体系具有光子易于操纵、退相干很小、室温下运行以及可用于长距离通信等优点，因此它们都是量子信息领域备受关注的物理实现平台 。
目前阶段，最可能用以演示量子计算优越性的问题包括随机量子线路采样、玻色采样、IQP线路等 。其中，随机线路采样任务则非常适合在二维结构的超导量子计算芯片上完成 。
玻色采样及其“变体”高斯玻色采样任务，特别适合于光学体系 。事实上，玻色采样实验是一项极富挑战性的任务，对光子源、光学干涉仪、单光子探测器都提出了苛刻的要求 。
几大突破让量子计算更快更强
“‘九章2.0’在计算规模和复杂度上都较‘九章’有了显著提升，极大地提高了之前的量子优势 。”中科大陆朝阳教授说，与“九章”相比，“九章2.0”重点实现了三大突破 。
首先，“九章”的总系统效率偏低，约为30%，其中一个主要损耗来自光源 。受到激光原理的启发，研究人员开发了受激压缩光源，可得到同时满足高压缩量、高纯度和高收集效率的压缩光源 。
其次，高斯玻色采样在许多领域有着潜在的实际应用价值，可运用于量子化学、机器学习、图优化、制备量子纠错码等领域 。但在当前的技术条件下，制备可编程、低损耗、足够大规模的光学干涉仪，还存在巨大的挑战 。在高斯玻色采样问题上，执行运算的变换矩阵不仅与干涉仪有关，还与压缩光的压缩参数、相位有关 。通过控制光源相位，“九章2.0”具备了部分可编程能力 。相位可调的高斯玻色采样已经具备了一定的潜在应用能力，如果以后能再实现干涉仪可调，那么将在很多实际领域有用武之地 。另外，“九章2.0”的干涉仪规模也从之前的100模式提升到了144模式 。
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