我国量子计算又有新突破！

“祖冲之二号”和“九章二号”来了！中国也因此成为在多个不同物理体系中均实现“量子计算优越性”的国家。10月25日，我国科学家在国际知名物理学期刊《物理评论快报》上，同日发表了两篇量子计算方面的论文，介绍了团队在超导电路和光量子两种系统的量子计算方面取得的重要进展。

求解特定问题比超算快亿亿亿倍

1981年，诺贝尔奖获得者理查德·费曼提出了量子计算机构想。目前，量子计算已被认为可能是下一代信息革命的关键技术，可通过特定算法产生超越传统计算机的算力，解决重大经济社会问题。研制量子计算机成为世界科技前沿重大挑战。

2020年，潘建伟团队成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，处理高斯玻色取样问题的速度比超级计算机快一百万亿倍，使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

今年以来，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等人与中国科学院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，进行了一系列概念和技术创新，近期成功构建113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”，求解高斯玻色取样数学问题比目前全球最快的超级计算机快10的24次方倍（亿亿亿倍），在研制量子计算机之路上迈出重要一步。

研究团队成员陆朝阳介绍，“九章二号”有三大突破：首先显著提高了量子光源的产率、品质和收集效率，将光源关键指标从63%提升到92%；其次，将多光子量子干涉线路从100维度增加到144维度，操纵的光子数从76个增加到113个；第三，新增了可编程功能。

结果显示，“九章二号”的算力实现巨大提升。根据目前已发表的最优经典算法，“九章二号”求解高斯玻色取样问题的处理速度，比全球最快的超级计算机快亿亿亿倍，比“九章”快100亿倍。量子物理学家、加拿大卡尔加里大学教授巴里·桑德斯认为，这是“令人激动的实验杰作”。

据悉，未来的通用型量子计算机可望在密码破译、天气预报、材料设计、药物分析等领域发挥作用。目前的“九章二号”还只是“单项冠军”，但其超强算力，在图论、量子化学等领域具有潜在应用价值。

两条技术路线上实现“量子优越性”

目前，国际学界在多条技术路线上研究量子计算机，超导量子比特是最有希望的方向之一。今年5月，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志等人构建了62比特超导量子计算原型机“祖冲之号”，实现了可编程的二维量子行走。

近期，中国科学技术大学潘建伟团队与中科院上海技术物理研究所合作，采用全新的倒装焊3D封装工艺，解决了大规模比特集成问题，成功研制出“祖冲之二号”。66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”通过对其上56个量子比特进行精微调控，在随机线路采样任务上实现了量子计算优越性。这是目前公开发表的最大量子比特数的超导量子体系，高于此前“祖冲之1.0”的62量子比特和2019年美国“悬铃木”的53量子比特。“祖冲之2.0”芯片上的所有组件都能正常工作，66个比特的平均T1寿命达到31微秒，高于“悬铃木”的16微秒——T1寿命是衡量量子比特退相干的一个重要指标，更长的T1寿命意味着可以对量子比特进行更多的相干操作，完成更复杂的计算任务。

根据目前已公开的最优经典算法，“祖冲之二号”对“量子随机线路取样”问题的处理速度，比目前全球最快的超级计算机快1000万倍以上。这也使得中国成为目前唯一在两条技术路线上达到“量子优越性”里程碑的国家（“九章”使用的是光量子技术路线）。

据了解，“量子优越性”指的是：如果一个特定的计算任务可以被量子计算机解决，但是不能在一个可接受的时间内被任何现存的经典计算机运用任何已知算法来完成，那么就说实现了量子优越性。

研究团队成员朱晓波介绍，达成“量子优越性”，标志着研究进入第二阶段，开始量子纠错和应用探索。“祖冲之二号”的并行高保真度量子门操控能力和完全可编程能力，有望找到有实用价值的应用，预期包括量子机器学习、量子化学等。

本报记者 郜阳