5 月 8 日，全球最大量子比特數的超導量子體系誕生在中國！

該成果來自中國科學技術大學潘建偉院士團隊，其于近日成功研制出全球超導量子比特數量最多的量子計算原型機 “祖沖之號”。

“祖沖之號” 可操縱的超導量子比特多達 62 個，此前谷歌實現 “量子優越性” 的懸鈴木具備 53 個量子比特，這意味著在目前的公開報道中，“祖沖之號” 是世界上最大量子比特數的超導量子體系。

之所以命名為 “祖沖之號”，參與研究的中國科學技術大學上海研究院教授朱曉波告訴 DeepTech ：“這是為了紀念我國杰出的數學家。祖沖之在劉徽開創的探索圓周率的精確方法的基礎上，首次將‘圓周率’精算到小數第七位，他提出的‘祖率’對數學的研究有重大貢獻。”

此外，該團隊實現了對格點間隧穿幅、以及游走構型的精準調控，從而實現了可編程的二維量子行走。

5 月 8 日，相關論文以《在可編程二維 62 比特量子處理器上的量子行走》“Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor” 為題發表在 Science 上。

審稿人評價稱：“在大尺度晶格上首次實現了量子行走的實驗觀測…… 這是一項清晰而令人贊嘆的實驗”。其中，潘建偉、朱曉波是論文共同通訊作者。

由潘建偉、朱曉波、彭承志等人組成的團隊，多年來專注于研究超導量子計算，此前已經實現全局糾纏保真度達 70％的 12 比特超導量子芯片、24 個比特的高性能超導量子處理器等成果，“祖沖之號” 也正是立足于此前成果。

本次研究中，在二維結構的超導量子比特芯片上，該團隊觀察了單粒子、以及雙粒子激發情形下的量子行走現象，并在實驗中研究了量子信息在二維平面上的傳播速度。

同時，他們還通過調制量子比特連接的拓撲結構的方式，構建出一種名為馬赫 — 曾德爾的干涉儀，從而實現了可編程的雙粒子量子行走。

在超導量子處理器上實現二維量子行走

一直以來，固態量子計算有很多方案，由于超導量子計算具備較好的工藝可擴展性，因此也被廣泛認為是最有可能率先實現實用化量子計算的方案之一。

而此，此前擺在面前的難題是：難以在超導量子體系中實現對每一個量子比特的極高精度的相干操縱。

研究中，該團隊設計并構建出一個 8×8 的超導量子比特陣列，下圖正是該量子處理器結構的示意圖，其面積為 3x3 平方厘米，之所以設計成正方形，是為了幫助實現量子算法。

一個橘色 “+”， 代表著一個量子比特，除去兩個因為損壞而無法實現功能的量子比特，圖中共有 62 個 “+” 高品質量子比特，它們之前相互耦合。

很多人都知道，來自固體的天然原子晶格，被激發之后會產生聲子。量子比特也可看做是一種人工原子，一旦被激發，它就會生成出一種準粒子。而準粒子的行為、和聲子的行為類似，它們都是符合玻色子統計規律的玻色子。

在固體中傳播時，聲音的傳播行為會受到晶格結構、格點間的耦合等因素的影響。作為量子行走中的 “漫步者” 的準粒子，它的行走行為也會受到量子比特陣列的構型和耦合等因素的影響。

使用相關實驗技術，朱曉波等人調節了體系中的各種參數，從而讓量子比特陣列可模擬玻色 - 哈伯德模型（Bose-Hubbard）的行為。

由于玻色 - 哈伯德模型具備不錯的研究價值和應用前景，因此是目前多體物理模擬的一個熱點。在該模型下，他們開始研究準粒子 “漫步者” 的行為。

研究之前，他們先激發出 “漫步者”，接著再把量子比特的頻率調為一致，這時即可制備出二維干涉網絡，這也是實驗所需的演化 “環境”。有了演化 “環境”，漫步者才能開始 “自由之旅”。

圖 | 1 個漫步者的情況（來源：Science）

如上圖左上角的紅色方塊位置，這里指的是他們在量子比特陣列的左上角，創造出了 1 個漫步者。

演化一段時間后，該團隊觀測了漫步者在陣列上的分布情況，上圖顯示的正是漫步者逐漸蔓延到整個陣列中的過程。

此后，他們開始研究 2 個漫步者，如下圖所示，一開始 2 個漫步者分別位于兩個相對的頂角處，隨后它們也逐漸蔓延到整個陣列中。

圖 | 2 個漫步者的情況（來源：Science）

實驗證明，不管是 1 個漫步者還是 2 個漫步者，同等條件下的數值模擬結果，都和本次實驗結果一致，這說明本次超導量子比特體系，具備優異的性能，且能實現精確的操縱。

現針對每個量子比特頻率的精確調控

如果說二維量子比特體系是一座花園，那么它就是僅有一片開闊草坪的花園。

這意味著，漫步者可在園中隨意逗留，正因此朱曉波等人才能實現針對每個量子比特頻率的精確調控。

調節完量子比特頻率之后，部分量子比特就會失去諧調，漫步者的活動區域也可得到限定。

限定之后，該團隊才能給漫步者量身定制出一條條小路，也就是它的行走路徑，這些小路相互交叉，并讓漫步者只能行走在這些小路上。

因為不只有一位漫步者，當它們在小路上相遇時，也會碰撞出相應的 “故事”。

“故事” 的原理是，由于在二維量子比特體系中，漫步者在行走時，路線的不同會帶來不同的交織形式，進而會產生不同的圖結構，這時也會誕生不同表現的干涉結果，最終可實現不同的功能。上述種種不同，也是實現基于量子行走的量子計算的關鍵要素。

基于此，朱曉波等人構造出幾個不同的路徑結構。在這些不同的路徑結構中，他們又分別研究了 1 個漫步者、和 2 個漫步者的量子行走行為，并探明了量子干涉在其中扮演的角色。

他們發現，在即便只有 1 個漫步者的量子行走中，它也能在兩條連接的演化路徑中，形成干涉作用；而在 2 個漫步者的量子行走中，只有兩條路徑形成連接，才能形成干涉作用。

而且，任意 1 個漫步者形成的干涉條紋以及它們的和，和 2 個漫步者形成的干涉條紋都不一樣，這說明兩個漫步者之中也會產生相互作用。

圖 | 單個漫步者的量子行走 （來源：Science）

如上圖所示，圖 A 和圖 B 是兩個不同的路徑結構。最開始，在圖 A 的紅色 S 處，漫步者會被激發出來。

圖 C 和圖 D 指的是針對兩種路徑結構，在演化一定時間后，不同 “路況” 下的粒子數分布情況，會呈現在終點 D 點的位置。

那么，在有兩條相互連接路徑的情況下，粒子在終點處也會表現出明顯的干涉條紋。但是，只要切斷一條路徑，就不會再形成兩條路徑的干涉，因此也不會再顯示出干涉。

再看下圖，在圖 A、圖 C、圖 E、圖 G 等不同的路徑結構下。一開始在每張圖的紅色位置，漫步者會被激發出來。

圖 | 兩個漫步者的量子行走 （來源：Science）

而在圖 B、圖 D、圖 F、圖 H 等路徑結構中，演化一定時間后，即可在終點 D 點的位置，觀察到不同 “路況” 下的粒子數分布情況。

觀察中該團隊發現，當兩條演化路徑出現近端連接時，才會產生干涉。而且，2 個漫步者形成的干涉條紋、和任意 1 個漫步者的干涉條紋以及它們的求和都不一樣，這說明不同漫步者中存在著相互作用。

圖 | 對于上圖中（A）所示情況，漫步者的量子行走過程演示（來源：Science）

概括來說，該團隊在固態量子計算系統中，首次實驗演示了可編程的二維量子行走，并通過對參數的精確調控，讓量子可在不同路徑結構上進行行走。

比起光子等系統，超導量子比特系統的參數可調性更優。比如，只需調控比特頻率、相鄰格點間的隧穿幅和相位、以及體系構型等要素，即可滿足不同的實驗需求和應用需求。

超導量子計算已成為最具希望的候選者之一

盡管還不能立馬投入實際應用，但這也說明超導量子比特處理器具備良好的應用前景。就后續進行更復雜量子多體模擬來說，該成果扮演著基石角色。

一言以蔽之，基于 “祖沖之號” 量子計算原型機的二維可編程量子行走，在通用量子計算、量子搜索算法等領域具備潛在應用能力，更是后續領域內發展的重要方向。

此外，該成果為促進中國在超導量子系統上實現量子優越性奠定了技術基礎，也為后續研究具有重大實用價值的量子計算提供了支持。

量子計算機是全球科技前沿的重大挑戰之一，且已成為世界各國角逐的焦點。一直以來，盡管全球學者在研究量子計算時，使用過多條技術路線，但超導量子計算已成為最具希望的候選者之一，它的核心目標是增加 “可操縱” 的量子比特數量，通過提升操縱精度來實現落地應用。

由于在原理上量子計算機具備超快的并行計算能力，因此有望通過特定算法，提供高于傳統計算機指數級別的加速能力，并有望用于天氣預報、材料設計、密碼破譯、大數據優化、藥物分析等領域。

原文標題：62比特！潘建偉等成功研制量子計算原型機“祖沖之號”，并實現可編程的二維量子行走

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責任編輯：haq