本文主要介紹中國(guó)科學(xué)家在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域取得的重大成果，即構(gòu)建出“祖沖之三號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)，闡述了其計(jì)算能力、相關(guān)概念以及量子計(jì)算發(fā)展階段等內(nèi)容。
近期，中國(guó)的科學(xué)家們?cè)诔瑢?dǎo)量子計(jì)算這一前沿領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了極為重大的突破。他們成功打造出了名為“祖沖之三號(hào)”的超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)，這臺(tái)原型機(jī)擁有多達(dá)105個(gè)量子比特呢。通過(guò)隨機(jī)線路采樣（RCS）實(shí)驗(yàn)，“祖沖之三號(hào)”再一次刷新了量子計(jì)算優(yōu)越性的紀(jì)錄。你知道這有多厲害嗎？它處理“量子隨機(jī)線路采樣”問(wèn)題的速度，那可比當(dāng)下國(guó)際上速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)還要快千萬(wàn)億倍啊。而且，這一成果非常重磅，已經(jīng)以封面論文的形式，發(fā)表在了國(guó)際權(quán)威的物理期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Leters，簡(jiǎn)稱(chēng)為PRL）上了。
可能很多人會(huì)疑惑，快千萬(wàn)億倍這到底是怎樣一個(gè)概念呢？量子計(jì)算優(yōu)越性又究竟代表著什么含義呢？“祖沖之三號(hào)”此次的進(jìn)展對(duì)整個(gè)量子計(jì)算領(lǐng)域來(lái)說(shuō)又意味著什么呢？我們距離能夠使用量子計(jì)算機(jī)還有多長(zhǎng)的路要走呢？下面咱們就一起深入探究一下這些問(wèn)題吧。
先來(lái)說(shuō)說(shuō)“祖沖之三號(hào)”這次的突破到底有多大。量子有一個(gè)很特殊的性質(zhì)，那就是疊加態(tài)。這個(gè)疊加態(tài)意味著每個(gè)量子比特都能夠同時(shí)編碼2個(gè)狀態(tài)。隨著量子比特?cái)?shù)量不斷地增加，量子系統(tǒng)能夠編碼的狀態(tài)數(shù)量會(huì)像爆炸一樣呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。打個(gè)比方，如果我們把量子處理器看作是一個(gè)超級(jí)大腦的話，那么量子比特就相當(dāng)于這個(gè)大腦里的神經(jīng)元。神經(jīng)元的數(shù)量越多，大腦就能夠處理越復(fù)雜、信息量越龐大的信息，也就代表著它有能力去解決那些更棘手的問(wèn)題。
(“祖沖之三號(hào)”芯片示意圖)
“祖沖之三號(hào)”擁有105個(gè)量子比特，這就使得它能夠編碼2的105次方個(gè)狀態(tài)。和它的上一代“祖沖之二號(hào)”（“祖沖之二號(hào)”只有66個(gè)量子比特）相比，它們二者在編碼狀態(tài)空間大小上的差距達(dá)到了約5千億倍。不過(guò)呢，這還只是編碼空間方面的差距，要是衡量實(shí)際計(jì)算能力的差距時(shí)，還得把量子門(mén)操作和讀取的保真度考慮進(jìn)去。
這里就不得不提到“保真度”這個(gè)在量子計(jì)算里非常重要的概念了。簡(jiǎn)單來(lái)講，保真度就像是量子操作的“精準(zhǔn)度”，它是用來(lái)衡量實(shí)際操作和理想操作之間相似程度的一個(gè)指標(biāo)。保真度越高，就表明實(shí)際的量子操作越接近理想狀態(tài)，這樣產(chǎn)生的誤差也就越小。“祖沖之三號(hào)”量子計(jì)算機(jī)在三個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo)上都取得了很高的保真度，其中并行單比特門(mén)保真度達(dá)到了99.90%、并行兩比特門(mén)保真度達(dá)到了99.62%、并行讀取保真度達(dá)到了99.13%。這么高的保真度就如同給量子計(jì)算機(jī)安裝上了高精度的“眼睛”和“手”，讓它能夠更加精準(zhǔn)地去執(zhí)行那些復(fù)雜的量子算法。
所以說(shuō)，“祖沖之三號(hào)”的成功構(gòu)建，從兩個(gè)重要的方面對(duì)量子計(jì)算產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用。一方面，它極大地提升了量子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的上限，從而讓量子計(jì)算機(jī)能夠處理更為復(fù)雜的問(wèn)題；另一方面，它為量子糾錯(cuò)提供了更多的資源，這樣就有望實(shí)現(xiàn)碼距更高的表面碼邏輯比特，進(jìn)而降低量子計(jì)算的錯(cuò)誤率，這對(duì)推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用有著非常關(guān)鍵的意義。
接下來(lái)我們探討一下科學(xué)家們所追求的量子計(jì)算優(yōu)越性到底意味著什么。當(dāng)我們提到量子計(jì)算以及量子計(jì)算優(yōu)越性的時(shí)候，有一個(gè)詞是繞不開(kāi)的，那就是量子隨機(jī)線路采樣（RCS）。它可是目前衡量量子計(jì)算機(jī)性能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)呢。
在經(jīng)典計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，通常的做法是先把需要處理的數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)里面，然后依據(jù)特定的算法去執(zhí)行一系列的邏輯門(mén)操作，等這些操作都完成之后，得到的處理后的數(shù)據(jù)就是計(jì)算結(jié)果了。量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算過(guò)程和這個(gè)是類(lèi)似的。
而量子隨機(jī)線路采樣呢，是先把量子信息導(dǎo)入，接著運(yùn)行一系列的量子邏輯門(mén)操作，最后對(duì)最終的量子態(tài)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行取樣。在量子隨機(jī)線路取樣這個(gè)任務(wù)里，隨機(jī)性主要體現(xiàn)在科學(xué)家們會(huì)隨機(jī)選取多種量子邏輯門(mén)操作，這樣就能獲得多種隨機(jī)的量子態(tài)計(jì)算結(jié)果。通過(guò)對(duì)這些計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，就可以得到量子計(jì)算機(jī)在多種情況下計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確程度，進(jìn)而對(duì)量子計(jì)算機(jī)的整體性能進(jìn)行全面的評(píng)估。
所以，我們可以這么說(shuō)，在實(shí)現(xiàn)量子隨機(jī)線路采樣這個(gè)任務(wù)上表現(xiàn)得越好，量子計(jì)算機(jī)的性能就越強(qiáng)。當(dāng)量子計(jì)算機(jī)在某些特定的問(wèn)題上，它的計(jì)算能力能夠超越最強(qiáng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)的時(shí)候，我們就把這種情況稱(chēng)為量子計(jì)算優(yōu)越性。
“量子計(jì)算優(yōu)越性”的研究有著里程碑一樣的重要意義。它不但驗(yàn)證了量子力學(xué)原理在計(jì)算領(lǐng)域的可行性和巨大的潛力，為量子計(jì)算理論的發(fā)展提供了實(shí)驗(yàn)方面的支撐，展示了量子計(jì)算機(jī)真正具備超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)算力的能力，推動(dòng)了第二次量子革命向前發(fā)展，還為量子計(jì)算機(jī)向著終極目標(biāo)——實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)的通用量子計(jì)算機(jī)——奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
最后我們來(lái)看看，我們距離能夠使用量子計(jì)算機(jī)還有多遠(yuǎn)呢？“祖沖之三號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了目前超導(dǎo)體系最強(qiáng)的量子計(jì)算優(yōu)越性，那是不是就意味著我們很快就能用上量子計(jì)算機(jī)了呢？
如今，隨著人工智能、氣候模擬等領(lǐng)域的復(fù)雜度不斷飆升，由于晶體管已經(jīng)快要逼近物理極限了，摩爾定律也逐漸失去了效力，我們現(xiàn)在使用的經(jīng)典計(jì)算機(jī)已經(jīng)很難滿足呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的計(jì)算需求了。所以，人們都把希望寄托在量子計(jì)算機(jī)上，盼望著量子計(jì)算機(jī)能夠早日實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，從而幫助我們解決算力提升的問(wèn)題。
然而，要想實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用化，這可不是一件能夠一下子就完成的事情。目前，科學(xué)家們把量子計(jì)算的發(fā)展大致劃分為三個(gè)階段。
第一個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性，也就是要相干操縱50多個(gè)量子比特，讓其在對(duì)特定問(wèn)題的計(jì)算能力上超越最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。
第二個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用量子模擬機(jī)，這就需要相干操縱數(shù)百至上千個(gè)量子比特，用它來(lái)解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的一些重要的科學(xué)問(wèn)題，比如量子化學(xué)、高溫超導(dǎo)機(jī)理、拓?fù)湮飸B(tài)等方面的問(wèn)題。
第三個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)通用容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，這就要求在量子糾錯(cuò)的輔助下相干操縱至少上百萬(wàn)量子比特，用它來(lái)解決經(jīng)典密碼破解、人工智能、材料設(shè)計(jì)、生物制藥等領(lǐng)域的計(jì)算難題。
要是想要達(dá)到量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的第三個(gè)階段——通用可容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的全面實(shí)用化，那就需要借助量子糾錯(cuò)算法來(lái)降低邏輯比特的錯(cuò)誤率。目前，科學(xué)家們預(yù)計(jì)，大概需要10 - 15年左右的時(shí)間，才能夠構(gòu)建起擁有數(shù)千邏輯比特且邏輯錯(cuò)誤率控制在1e - 10量級(jí)的量子計(jì)算原型機(jī)。
中國(guó)科學(xué)家構(gòu)建的“祖沖之三號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)意義非凡，它在量子比特?cái)?shù)量、保真度等方面的成果體現(xiàn)了其巨大突破，刷新量子計(jì)算優(yōu)越性紀(jì)錄。量子計(jì)算優(yōu)越性通過(guò)量子隨機(jī)線路采樣衡量，這一成果推動(dòng)了量子計(jì)算發(fā)展。量子計(jì)算發(fā)展分三個(gè)階段，要達(dá)到通用可容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用化還需10 - 15年左右。
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