成果簡介

　　2021年5月，中科院量子信息與量子科技創新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊，成功研制了目前國際上超導量子比特數量最多的量子計算原型機“祖沖之號”，操縱的超導量子比特達到62個，并在此基礎上實現了可編程的二維量子行走。國際權威學術期刊《科學》發表了該研究成果。

歷史背景

　　量子計算機是指利用量子相干疊加原理，理論上具有超快的并行計算和模擬能力的計算機。量子計算機和我們現在理解的電腦差別很大。首先二者的計算形式不一樣，電腦是通過電路的開和關來進行計算，我們日常用的電腦，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字，這些信息在硬件電路里都會轉換成1和0，再進行傳輸、運算、存儲。而量子計算機則是以量子的狀態作為計算形式，目前量子計算機使用的是如原子、光子等基本粒子，不同類型的量子計算機使用的是不同的粒子，比如說2020年年底我國研究團隊成功研制出量子計算原型機“九章”，它就是用的光子。

　　曾有人打過一個比方：如果傳統計算機的速度是自行車，量子計算機的速度就好比飛機。例如，一臺操縱50個微觀粒子的量子計算機，對特定問題的處理能力可超過目前最快的“神威·太湖之光”超級計算機。

創新歷程

　　多粒子糾纏的操縱作為量子計算的技術制高點，一直是國際角逐的焦點。在光子體系，潘建偉團隊在國際上率先實現了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏，一直保持著國際領先水平。在超導體系，2015年，谷歌、美國航天航空局和加州大學圣芭芭拉分校宣布實現了9個超導量子比特的高精度操縱。

　　潘建偉、朱曉波、彭承志等長期瞄準超導量子計算的核心問題開展研究并取得了一系列重要進展。2019年初，在一維鏈結構12比特超導量子芯片上實現了12個量子比特糾纏“簇態”的制備，保真度達到70%，打破了之前創造的10個超導量子比特糾纏的紀錄。同時，研究團隊開創性地將超導量子比特應用到量子行走的研究中，為未來多體物理現象的模擬以及利用量子行走進行通用量子計算的研究奠定了基礎。隨后，研究團隊將芯片結構從一維擴展到準二維，制備出包含24個比特的高性能超導量子處理器，并首次在固態量子計算系統中，實現了超過20比特的高精度量子相干調控。

　　2021年5月，研究團隊又在自主研制二維結構超導量子比特芯片的基礎上，成功構建了國際上超導量子比特數目最多、包含62個比特的可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”，并在該系統上成功進行了二維可編程量子行走的演示。研究團隊在二維結構的超導量子比特芯片上，觀察了單粒子及雙粒子激發情形下的量子行走現象，研究了二維平面上量子信息傳播速度，同時通過調制量子比特連接的拓撲結構的方式構建馬赫-曾德爾干涉儀，實現了可編程的雙粒子量子行走。該成果為在超導量子系統上實現量子優越性展示及可解決具有重大實用價值問題的量子計算研究奠定了技術基礎。此外，基于“祖沖之號”量子計算原型機的二維可編程量子行走在量子搜索算法、通用量子計算等領域具有潛在應用價值，將是后續發展的重要方向。

重大意義和深遠影響

　　“祖沖之號”可操縱的超導量子比特多達62個，而谷歌的“懸鈴木”具備53個量子比特。這意味著，“祖沖之號”是世界上最大量子比特數的超導量子體系。該成果為在超導量子系統上實現量子優越性展示及可解決具有重大實用價值問題的量子計算研究奠定了技術基礎，未來有望用于大數據優化、天氣預報、材料設計、密碼破譯、藥物分析等領域。