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发布时间:2021-05-08     来源于:上海研究院

中國科大中科院量子信息與量子科技創新研究院(以下簡稱量子創新研究院)潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊,成功研制了62比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”,並在此基礎上實現了可編程的二維量子行走。相關研究成果于2021年5月7日在線發表在國際學術期刊《科學》雜志上。

量子計算機在原理上具有超快的並行計算能力,可望通過特定算法在一些具有重大社會和經濟價值的問題方面(如密碼破譯、大數據優化、材料設計、藥物分析等)相比經典計算機實現指數級別的加速。當前,量子計算機研制作爲世界科技前沿的重大挑戰之一,已經成爲歐美各發達國家競相角逐的焦點。超導量子計算,作爲最有希望實現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目以及提升超導量子比特性能,從而能夠高精度相幹操控更多的量子比特,實現對特定問題處理速度上的指數加速,並最終應用于實際問題中。

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,該團隊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”,並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,實驗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-曾德爾幹涉儀,實現了可編程的雙粒子量子行走。該成果爲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,將是後續發展的重要方向。

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                                         图: 二维超导量子比特芯片示意图, 每个橘色十字代表一个量子比特。

 

上述項目受到了中國科學院、安徽省、科技部、上海市和基金委的支持。

論文鏈接:https://science.sciencemag.org/content/early/2021/05/05/science.abg7812

 

(合肥微尺度物質科學國家研究中心、中科院量子信息與量子科技創新研究院、科研部)