全球最大超导量子体系 “祖冲之号”问世 实现量子行走

[ 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。 ]

继“九章”量子计算机原型机发布后，我国首个可操纵的超导量子计算机体系“祖冲之号”问世。该成果将为促进中国在超导量子系统上实现量子优越性奠定技术基础，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。

中国科学技术大学潘建伟院士团队近日成功研制出全球超导量子比特数量最多的量子计算原型机 “祖冲之号”，宣告全球最大量子比特数的超导量子体系的诞生。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。

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” 的“悬铃木”只有53个量子比特。研究团队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：“在我们的工作中，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。”

之所以命名为 “祖冲之号”，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。

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”，这区别于此前谷歌的量子计算机“悬铃木”。朱晓波对第一财经记者表示，目前团队正在开展相关工作，以实现“量子优越性”。

2019年9月，美国谷歌公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学算法的计算只需200秒，并宣称相较于当时世界最快的超级计算机“顶峰”实现了“量子优越性”。

一位量子计算领域专家对第一财经记者表示：“‘祖冲之号’和‘悬铃木’都是使用了超导量子比特，但是‘祖冲之号’执行的任务是相对简单的，对于操纵精度等要求仍然低于‘悬铃木’。”

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。

但业内人士人仍然表示，量子计算技术还处于极早期阶段，尚不具备产业投资价值。“目前的量子技术领域，有两个具有投资价值的成熟应用方向，一个是数据加密领域，另一个是传感和量子的精密测量。”一位量子技术产业人士对第一财经记者表示。

（张洋 HN080）