量子計算與量子信息近年的發展受到國際上的普遍關注，以量子信息科學為代表的量子科技正在不斷形成新的科學前沿、激發革命性的科技創新、孕育對人類社會產生巨大影響的顛覆性技術。日前，中國科大中科院量子信息與量子科技創新研究院團隊宣布，成功研制62比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”，并在此基礎上實現了可編程的二維量子行走。
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”，并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》（Science）雜志上。
此前這一紀錄的保持者谷歌實現 “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。”
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，量子計算機研制作為世界科技前沿的重大挑戰之一，已經成為歐美各發達國家競相角逐的焦點。
超導量子計算，作為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，從而能夠高精度相干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，并最終應用于實際問題中。
潘建偉、朱曉波、彭承志等長期瞄準超導量子計算的上述核心目標，取得了一系列重要進展。
超導量子比特中的“漫步者”
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％（Phys. Rev. Lett. 122, 110501 (2019)），打破了之前創造的10個超導量子比特糾纏的紀錄。同時，該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（Science 364, 753 (2019)）。
隨后，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(Phys. Rev. Lett. 123, 050502 (2019))。
8×8二維超導量子比特芯片陣列示意圖,，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。每個橘色“+”代表一個量子比特，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。（來源：Science）
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”。
1 個漫步者的情況（圖自：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。
2 個漫步者的情況（圖自：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。
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。
單個漫步者的量子行走 （圖自：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。
當處于上圖圖 A 的情況時，漫步者量子行走的過程演示（圖自：Science）
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。
兩個漫步者的量子行走 （圖自：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。
對于上圖中（A）所示情況，漫步者的量子行走過程演示（視頻自：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。
在超導量子處理器上實現二維量子行走
去年年底，中國科大朱曉波教授在“量子計算及量子信息研討會”上表示，超導量子計算領域已經進入了一個階段——從性能的角度來說，每個比特已經可以滿足可擴展，即容錯量的計算，超過量子糾錯九十九點幾的門檻；現在大多數研究團隊所關注的是能不能進一步擴展，從而能做大規模的或者說至少在近期能夠有一個更高精度和更多比特數目并行的系統。
同時，朱曉波教授指出，中國科大在研究60量子比特的量子處理器，從（2020年）6到8月份開始，已經迭代4次，由于系統的復雜性，原本希望2020年的未來幾個月或者是至少2021年上半年能把其量子優越性展示出來，但是現在看來還有不少問題。
當時朱曉波教授表示，中國科大還將繼續努力，希望能盡早成功并展示。
終于在今年5月，該團隊宣布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，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，將是后續發展的重要方向。
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。
責編：Luffy Liu
本文內容參考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、DEEPTech深科技、《科學》（Science）雜志
- 這個出世后玖沒有密碼可言了？再復雜的密碼秒破！
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