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圖：潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊，成功研制超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之號”。圖為潘建偉團隊在工作。\資料圖片

　　繼“九章”量子計算機原型機發(fā)布后，我國首個可操縱的超導(dǎo)量子計算機體系“祖沖之號”問世，量子技術(shù)領(lǐng)先全球。中國科大中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院(以下簡稱量子創(chuàng)新研究院)潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊，日前成功研制出62比特(港稱位元)可編程超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之號”，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了可編程的二維量子行走，可望用于密碼破譯、大數(shù)據(jù)加速。相關(guān)研究成果于5月7日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上。

　　當(dāng)前，量子計算機研制作為世界科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一，已經(jīng)成為歐美各發(fā)達國家競相角逐的焦點。量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面，如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、藥物分析等領(lǐng)域，相比經(jīng)典計算機實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。

　　為量子計算研究奠基

　　超導(dǎo)量子計算，作為最有希望實現(xiàn)可拓展量子計算的候選者之一，其核心目標是如何同步地增加所集成的量子比特數(shù)目以及提升超導(dǎo)量子比特性能，從而能夠高精度相干操控更多的量子比特，實現(xiàn)對特定問題處理速度上的指數(shù)加速，并最終應(yīng)用于實際問題中。

　　潘建偉、朱曉波、彭承志等長期瞄準超導(dǎo)量子計算的上述核心目標，取得了一系列重要進展。2019年初，在一維鏈結(jié)構(gòu)12比特超導(dǎo)量子芯片上實現(xiàn)了12個量子比特糾纏“簇態(tài)”的制備，保真度達到70%，打破了之前創(chuàng)造的10個超導(dǎo)量子比特糾纏的紀錄。同時，該團隊開創(chuàng)性地將超導(dǎo)量子比特應(yīng)用到量子行走的研究中，為未來多體物理現(xiàn)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(chǔ)。隨后，團隊將芯片結(jié)構(gòu)從一維擴展到準二維，制備出包含24個比特的高性能超導(dǎo)量子處理器，并首次在固態(tài)量子計算系統(tǒng)中，實現(xiàn)了超過20比特的高精度量子相干調(diào)控。

　　能力勝過谷歌“懸鈴木”

　　近期，該團隊在自主研制二維結(jié)構(gòu)超導(dǎo)量子比特芯片的基礎(chǔ)上，成功構(gòu)建了國際上超導(dǎo)量子比特數(shù)目最多、包含62個比特的可編程超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之號”，并在該系統(tǒng)上成功進行了二維可編程量子行走的演示。自媒體“深科技”報道稱，“祖沖之號”可操縱的超導(dǎo)量子比特多達62個，此前谷歌實現(xiàn)“量子優(yōu)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(shù)的超導(dǎo)量子體系。

　　此外，研究團隊在二維結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)量子比特芯片上，觀察單粒子及雙粒子激發(fā)情形下的量子行走現(xiàn)象，實驗研究了二維平面上量子信息傳播速度，同時通過調(diào)制量子比特連接的拓撲結(jié)構(gòu)的方式構(gòu)建馬赫─曾德爾干涉儀，實現(xiàn)了可編程的雙粒子量子行走。據(jù)介紹，該成果為在超導(dǎo)量子系統(tǒng)上實現(xiàn)量子優(yōu)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技術(shù)基礎(chǔ)。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(lǐng)域有潛在應(yīng)用，將是后續(xù)發(fā)展重要方向。