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中国科大成功研制62比特可编程超导量子计算处理器

发稿时间:2020-05-08浏览次数:12

   中(zhong)国(guo)科大中(zhong)科院量(liang)子信息与量(liang)子科技创(chuang)新研(yan)(yan)究院(以下(xia)简称量(liang)子创(chuang)新研(yan)(yan)究院)潘(pan)建伟、朱晓波、彭承志等组成(cheng)(cheng)的(de)(de)研(yan)(yan)究团(tuan)队,成(cheng)(cheng)功研(yan)(yan)制了62比特可编(bian)程超(chao)导量(liang)子计算原(yuan)型机“祖冲之号”,并(bing)在此基础上实现(xian)了可编(bian)程的(de)(de)二维量(liang)子行(xing)走。相关研(yan)(yan)究成(cheng)(cheng)果于(yu)2021年5月(yue)7日在线发表(biao)在国(guo)际学术(shu)期刊《科学》杂(za)志上。

   量(liang)(liang)子计算(suan)机在(zai)原理上(shang)具有(you)超(chao)快的(de)并行计算(suan)能力,可望通过特(te)(te)定算(suan)法(fa)在(zai)一(yi)些具有(you)重大社会(hui)和(he)经济价值(zhi)的(de)问题方面(如密码破译(yi)、大数(shu)据优化、材(cai)料(liao)设计、药物分析等)相比经典(dian)计算(suan)机实(shi)现指(zhi)数(shu)级别的(de)加(jia)速。当前(qian),量(liang)(liang)子计算(suan)机研(yan)制作为(wei)世界科技前(qian)沿的(de)重大挑战之一(yi),已(yi)经成(cheng)为(wei)欧美各发达国家竞相角(jiao)逐的(de)焦(jiao)点。超(chao)导量(liang)(liang)子计算(suan),作为(wei)最(zui)有(you)希望实(shi)现可拓展量(liang)(liang)子计算(suan)的(de)候选者(zhe)之一(yi),其核心(xin)目标(biao)是如何(he)同(tong)步地增(zeng)加(jia)所集成(cheng)的(de)量(liang)(liang)子比特(te)(te)数(shu)目以及(ji)提升(sheng)超(chao)导量(liang)(liang)子比特(te)(te)性能,从而(er)能够高精度相干操(cao)控(kong)更多(duo)的(de)量(liang)(liang)子比特(te)(te),实(shi)现对(dui)特(te)(te)定问题处理速度上(shang)的(de)指(zhi)数(shu)加(jia)速,并最(zui)终应(ying)用于实(shi)际问题中。

  潘建伟、朱晓波、彭承志等长期瞄准超导量子计算的上述核心目标,取得了一系列重要进展。2019年初,在一维链结构12比特超导量子芯片上实现了12个量子比特纠缠“簇态”的制备,保真度达到70%(Phys. Rev. Lett. 122, 110501 (2019)),打破了之前创造的10个超导量子比特纠缠的纪录。同时,该团队开创性地将超导量子比特应用到量子行走的研究中,为未来多体物理现象的模拟以及利用量子行走进行通用量子计算的研究奠定了基础(Science 364, 753 (2019))。随后,团队将芯片结构从一维扩展到准二维,制备出包含24个比特的高性能超导量子处理器,并首次在固态量子计算系统中,实现了超过20比特的高精度量子相干调控(Phys. Rev. Lett. 123, 050502 (2019))。

   近期,该(gai)团队在(zai)(zai)(zai)自主(zhu)研制二(er)维结(jie)构(gou)超(chao)导(dao)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)比(bi)(bi)特(te)芯片(pian)的(de)基(ji)础上(shang)(shang)(shang),成功构(gou)建了国(guo)际上(shang)(shang)(shang)超(chao)导(dao)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)比(bi)(bi)特(te)数(shu)目最(zui)多(duo)、包(bao)含62个(ge)比(bi)(bi)特(te)的(de)可(ke)(ke)编(bian)(bian)(bian)程超(chao)导(dao)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)计(ji)(ji)算原(yuan)型机“祖冲(chong)之号”,并在(zai)(zai)(zai)该(gai)系(xi)统上(shang)(shang)(shang)成功进(jin)行了二(er)维可(ke)(ke)编(bian)(bian)(bian)程量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)行走的(de)演(yan)示。研究团队在(zai)(zai)(zai)二(er)维结(jie)构(gou)的(de)超(chao)导(dao)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)比(bi)(bi)特(te)芯片(pian)上(shang)(shang)(shang),观察了单粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)及双粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)激(ji)发(fa)(fa)情形下的(de)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)行走现象,实(shi)验研究了二(er)维平面(mian)上(shang)(shang)(shang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)信(xin)息传播速度,同(tong)时通过调制量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)比(bi)(bi)特(te)连接的(de)拓扑结(jie)构(gou)的(de)方式(shi)构(gou)建马赫(he)-曾(ceng)德(de)尔干涉(she)仪,实(shi)现了可(ke)(ke)编(bian)(bian)(bian)程的(de)双粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)行走。该(gai)成果为(wei)在(zai)(zai)(zai)超(chao)导(dao)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)系(xi)统上(shang)(shang)(shang)实(shi)现量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)优越性(xing)展(zhan)示及可(ke)(ke)解决具有重大实(shi)用价(jia)值问题的(de)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)计(ji)(ji)算研究奠定了技(ji)术基(ji)础。此(ci)外,基(ji)于“祖冲(chong)之号”量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)计(ji)(ji)算原(yuan)型机的(de)二(er)维可(ke)(ke)编(bian)(bian)(bian)程量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)行走在(zai)(zai)(zai)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)搜(sou)索算法、通用量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)计(ji)(ji)算等领域具有潜在(zai)(zai)(zai)应用,将是(shi)后续发(fa)(fa)展(zhan)的(de)重要方向(xiang)。

图: 二(er)维超导量子比特芯片示意图, 每个橘(ju)色十字代表(biao)一个量子比特。

   上(shang)述项目受到了中国科(ke)(ke)学(xue)院、安徽省、科(ke)(ke)技部(bu)、上(shang)海市和基金委的支持。

   论文链接:


 (合肥微尺(chi)度物(wu)质科(ke)学国(guo)家研(yan)究中心(xin)、中科(ke)院量(liang)子信息(xi)与(yu)量(liang)子科(ke)技创新研(yan)究院、科(ke)研(yan)部)

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