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，成功研制了62比特可編程超導(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。相關(guān)研究成果于2021年5月7日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上。

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、材料設(shè)計、藥物分析等）相比經(jīng)典計算機實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。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。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(biāo)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(zhǔn)超導(dǎo)量子計算的上述核心目標(biāo)，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％（Phys. Rev. Lett. 122, 110501 (2019)），打破了之前創(chuàng)造的10個超導(dǎo)量子比特糾纏的紀(jì)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)（Science 364, 753 (2019)）。隨后，團隊將芯片結(jié)構(gòu)從一維擴展到準(zhǔn)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(Phys. Rev. Lett. 123, 050502 (2019))。

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。研究團隊在二維結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)量子比特芯片上，觀察了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?fù)浣Y(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。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了技術(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)域具有潛在應(yīng)用，將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。

圖: 二維超導(dǎo)量子比特芯片示意圖, 每個橘色十字代表一個量子比特。

（上述項目受到了中國科學(xué)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(zhì)科學(xué)國家研究中心、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）


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