其次，高斯玻色采樣在許多領(lǐng)域有著潛在的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可運(yùn)用于量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、圖優(yōu)化、制備量子糾錯(cuò)碼等領(lǐng)域。但在當(dāng)前的技術(shù)條件下，制備可編程、低損耗、足夠大規(guī)模的光學(xué)干涉儀，還存在巨大的挑戰(zhàn)。在高斯玻色采樣問題上，執(zhí)行運(yùn)算的變換矩陣不僅與干涉儀有關(guān)，還與壓縮光的壓縮參數(shù)、相位有關(guān)。通過控制光源相位，“九章2.0”具備了部分可編程能力。相位可調(diào)的高斯玻色采樣已經(jīng)具備了一定的潛在應(yīng)用能力，如果以后能再實(shí)現(xiàn)干涉儀可調(diào)，那么將在很多實(shí)際領(lǐng)域有用武之地。另外，“九章2.0”的干涉儀規(guī)模也從之前的100模式提升到了144模式。

最終，“九章2.0”實(shí)現(xiàn)了113光子、144模式的部分可編程高斯玻色采樣，將在高斯玻色采樣問題上的量子優(yōu)越性，從經(jīng)典超算“太湖之光”的1014倍大幅提高到1024倍。同時(shí)，“九章2.0”輸出狀態(tài)空間的維數(shù)達(dá)到了1043量級(jí)，這使問題的復(fù)雜度大大提升，更加難以被新的經(jīng)典算法模擬。

在超導(dǎo)量子體系中，構(gòu)建大規(guī)模的量子比特陣列，并實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)量子比特極高精度的相干操縱極其困難。

“祖沖之2.0”通過對(duì)其上56個(gè)量子比特進(jìn)行精微調(diào)控，在隨機(jī)線路采樣任務(wù)上實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性。這是目前公開發(fā)表的最大量子比特?cái)?shù)的超導(dǎo)量子體系，高于此前“祖沖之”的62量子比特和2019年谷歌“懸鈴木”的53量子比特。其重要升級(jí)首先是引入可調(diào)耦合器，使得處理器的單比特門保真度和兩比特門保真度得到極大提升;其次采用倒裝焊封裝技術(shù)，解決二維排布量子芯片上的布線問題，極大減小信號(hào)串?dāng)_。

經(jīng)過升級(jí)，整個(gè)處理器的綜合計(jì)算性能達(dá)到展示量子優(yōu)越性的門檻。T1壽命是衡量量子比特退相干的一個(gè)重要指標(biāo)，更長的T1壽命意味著可以對(duì)量子比特進(jìn)行更多的相干操作，完成更復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。“祖沖之2.0”芯片上的所有組件都能正常工作，66個(gè)比特的平均T1壽命達(dá)到31微秒，高于“懸鈴木”的16微秒。

5個(gè)候選方案正在競爭

圍繞量子計(jì)算的一大熱點(diǎn)問題，是哪種技術(shù)路徑將最終贏得比賽。目前，主要有五個(gè)經(jīng)過充分論證的候選方案正在競爭：超導(dǎo)、離子阱、光量子、半導(dǎo)體量子點(diǎn)和冷原子。所有這些方案都是在20世紀(jì)90年代開創(chuàng)性的物理實(shí)驗(yàn)和實(shí)現(xiàn)中開發(fā)提出的。

超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)方案是目前國際上進(jìn)展最快的方案，擁有最多的技術(shù)追隨者，IBM和谷歌憑借其深厚的技術(shù)積累和雄厚的資金實(shí)力在該領(lǐng)域發(fā)展迅猛。與國外相比，中國在量子計(jì)算各路線的進(jìn)展中，超導(dǎo)量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)雖然起步較晚，但表現(xiàn)強(qiáng)勢(shì)。長遠(yuǎn)來看，該條技術(shù)路線在未來較易實(shí)現(xiàn)規(guī)模化。

離子阱技術(shù)路線的優(yōu)勢(shì)在于相干性好，可糾纏量子比特?cái)?shù)目多，邏輯門保真度高。離子阱系統(tǒng)是美國政府資助最多的兩個(gè)量子計(jì)算研究方向之一，另一個(gè)是超導(dǎo)系統(tǒng)。除量子計(jì)算機(jī)以外，其還被廣泛應(yīng)用于量子化學(xué)、相對(duì)論量子力學(xué)、量子熱力學(xué)等領(lǐng)域的量子模擬研究。離子阱量子計(jì)算至今已發(fā)展20余年，與超導(dǎo)量子計(jì)算的發(fā)展旗鼓相當(dāng)。國際上，霍尼韋爾、IonQ和AQT在離子阱量子計(jì)算機(jī)的商業(yè)化方面進(jìn)展較快。但國內(nèi)對(duì)于離子阱量子計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究只有不到十年的時(shí)間。

我國在光量子計(jì)算的研究中處于國際領(lǐng)先水平。光量子是除超導(dǎo)量子和離子阱之外研究進(jìn)展較快的技術(shù)路線，國際上，Xanadu和PsiQuantum是兩家發(fā)展較好的光量子計(jì)算機(jī)研制廠商。

由于半導(dǎo)體量子點(diǎn)計(jì)算機(jī)結(jié)合了當(dāng)前的半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)，未來可以快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，同時(shí)由于半導(dǎo)體量子比特體積較小，較超導(dǎo)技術(shù)路線和光量子技術(shù)路線而言更容易實(shí)現(xiàn)芯片化。但當(dāng)前半導(dǎo)體量子比特的數(shù)量較少，且相干性較弱。國際上，美國英特爾、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)和Qutech、澳大利亞SQC公司、日本理化學(xué)研究所(RIKEN)從事硅自旋量子比特方面的研發(fā)。

值得欣喜的是，中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在硅基半導(dǎo)體鍺納米線量子芯片研究中取得了重要進(jìn)展。由該團(tuán)隊(duì)郭國平教授領(lǐng)銜的本源量子公司已推出第二代硅基自旋二比特量子芯片——玄微XWS2-200。

冷原子技術(shù)路線在進(jìn)行量子模擬方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。國際上，法國的PASQA研究團(tuán)隊(duì)在2011年就開始建造由中性原子陣列制成的可編程量子模擬器。雖然我國在這一方面有所布局，但整體上參與的單位較少，研究時(shí)間也較短。

理論研究證明，針對(duì)一些任務(wù)，量子計(jì)算能比經(jīng)典算法更快速、有效地完成任務(wù)。目前物理學(xué)界普遍的共識(shí)是，量子計(jì)算機(jī)不可能完全取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，但在某些有特定難度的問題上將會(huì)取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。(科技日?qǐng)?bào)記者吳長鋒)

關(guān)鍵詞： 量子計(jì)算