中國量子計算的最新進展及展望

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2月22日，中科院量子資訊與量子科技創新研究院（以下簡稱“量子創新研究院”）理事會會議暨2018年度工作會議在合肥召開。

這次會議釋出了三個重要的科研成果。

第一，阿裡巴巴和潘建偉院士團隊宣布11比特的超導晶片可以通過雲平台進行操控。

第二，郭光燦院士團隊的半導體量子晶片可以實作兩比特DJ算法。

第三，郭光燦院士團隊改進了模拟算法，使得經典計算機可模拟的量子比特數目超過72個，大大提高了量子霸權的門檻。

等我詳細地一一介紹。

首先說潘建偉院士的11位超導量子雲平台。這是國内第一，也是國際第三了。國際前兩個分别是IBM的20位和Rigetti的19位超導量子雲平台。雖然數目上不夠，但這是一個從無到有的突破。

下面簡單比較一下相關參數，IBM的20位量子晶片的拓撲結構

兩比特門受拓撲結構限制，并不能做到兩兩之間都有；單比特門保真度大都在99%以上，兩比特門保真度大都在97-98%；T1大都在80-110us之間，T2大都在20-40us之間。

下面是Rigetti的19比特拓撲結構，

兩比特門受拓撲結構限制，也并不能做到兩兩之間都有；單比特門保真度大都在98-99%，兩比特門保真度大都在85-93%；T1大都在15-20us之間，T2大都在5-10us。總體上和IBM相比遜色不少。

這是阿裡巴巴的晶片拓撲結構

兩比特門受拓撲結構限制，隻能保證鄰近耦合，而且12個比特應該是壞了一個；單比特門保真度全部在99%以上，兩比特門保真度大都在全部在92%以上；T1大都在8us左右，T2大都在1-9us不等。保真度方面比Rigetti好很多，但是T1和T2比前兩者都差很多。

總的來說，這一成就說明我國的超導量子技術達到了國際前沿。

工藝方面基本上就是緊跟前沿，但缺乏創新，而且工藝性能并不突出

，這在較短的T1和T2就可以看出來，保真度較高是因為所選取的比特結構不同，這種X-mon結構的比特保真度較高，但隻能形成一維鍊。

在雲平台對接和量子算法實作等方面，我們還是落後前兩家公司。我的同學在上面跑了一個三比特GHZ态發現就亂掉了，在算法實作上也缺少努力，相比Rigetti的無監護機器學習算法來說，我們落後很多。

這當然不是該團隊的問題，而是我們投入還太少，團隊還沒有資金和人才來做這些事情，希望未來能夠加速發展。值得一提的是國内還有南京大學于揚課題組和合肥本源量子公司在做超導量子計算，和潘建偉院士的校企合作模式互補，助力中國超導量子計算的發展。

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現在講一下郭院士在半導體量子計算方面的成果。

半導體量子計算相對于超導量子計算來說還仍然比較落後，發展緩慢。但是半導體量子計算得益于它成熟的半導體工藝，被認為是非常有前景的一種計算方式。國際晶片巨頭Intel就同時投資了超導和半導體兩種計算方式。

半導體量子比特有兩種方法，分别是電荷量子比特和自旋量子比特。在電荷量子比特方面，郭院士組先後實作了單比特，兩比特，三比特和如今的DJ算法，這種比特形式可擴充性強，但是相幹時間短，測量的兩比特保真度大概是69%，不過觀察量子現象是沒有問題的了。雖然我這裡還看不到相關資料，但是應該是示範了DJ算法的結果。

DJ算法是一種可以證明量子算法具有加速作用的算法，具體到兩比特DJ算法，其線路框圖大概是這樣子，上面的是Q1，叫做輸入比特；下面的是Q2，叫做輔助比特。對Q1進行函數操作，當f(a=0)=f(a=1)=1或者f(a=0)=f(a=1)=0時，f(a)是常數函數；當f(a=0)=1，f(a=1)=0或者f(a=0)=0，f(a=1)=1時，f(a)是平衡函數。

用經典算法判斷，就是計算兩次，分别置Q1為1和0即可。

用量子算法判斷，引入Uf=w

我們在結果中測量Q1，若是常數函數，結果總為0；若是平衡函數，結果總為1。這樣就做到了一次判斷函數的類型。

在使用兩比特建構DJ算法的同時，郭院士領銜下的郭國平教授組還實作了三比特Toffoli門的操控，證明了電荷量子比特的可擴充性，提高了可操控的量子比特數目。這一成果最近釋出在2月15日出版的應用實體權威期刊《Physical Review Applied》上，裝置圖如下，

最後講一下郭光燦院士團隊在經典計算機的量子模拟方面的進展。

在今年2月以前，IBM和Google團隊都實作了56量子比特的模拟電路。因而他們認為，隻要做出大于56個比特的量子晶片，就可以實作量子計算機對經典計算機的超越——實作量子霸權。

然而，實作量子霸權并不是很簡單。

2017年四月，Google發表文章《Characterizing quantum supremacy in near-term devices》,其中對量子霸權的定義是

Quantum supremacy is achieved when a formal computational task is performed with an existing quantum device which cannot be performed using any known algorithm running on an existing classical supercomputer in a reasonable amount of time.

也就是說，隻有

經典超級計算機

不能在

合理的時間内

運作的

任意已知的算法

來求解的問題，而能被量子計算機求解的問題才能證明量子霸權。

按照這種定義，事實上實作量子霸權是比較困難的。隻要經典超級計算機上能模拟的比特數目超過一台量子計算機，那麼，量子霸權就難以實作。

郭光燦院士團隊為了更好地定義量子霸權，在超級計算機模拟上進行了研究。将兩比特門的模拟進行了拆解，大大減小了計算資源，将比特數目提高到64個，經過理論推算，在更大的超級計算機上，這種模拟方法可以模拟多達72個量子比特。

這一研究成果将迫使我們不得不重新審視何為量子霸權，以及量子霸權應當如何實作。

原文釋出時間為：2017.02.01

本文作者：Golden Horqin

本文來源：

知乎

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