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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》雜志上。

背景介紹

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。

前期成果

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。

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)）。

（詳情請點擊：隨機行走吧，12量子！多體量子行走踏出重要一步)

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))。

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”，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。

二維超導量子比特芯片示意圖, 每個橘色十字代表一個量子比特。

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。）

論文鏈接：

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

來源：中國科學技術大學微信公眾號