5月8日,学院量子信息与量子技创新研究发布称[1],由中科大教授潘建伟、朱晓波、研究员彭承志等组成的研究团队,成功构造了62量子比特的可编程超导量子处理器,并以中国著名数学家和天文学家祖冲之的名字命名为“祖冲之号

 

1. 看点:国内发布62Q大规模量子比特位列第一

这是学术界通过同行评审,公开发表论文里拥有最多量子比特的处理器。团队在此基础上实现了可编程的二维量子行走,是该领域的一个重要里程碑,相关研究成果于2021年5月7日在线发表在国际学术期刊《科学》杂志上[2]。

研究团队设计并构造了一个8x8的二维方形超导量子比特阵列,由62 (原本64个,其中有2个不工作) 个功能量子比特组成,并利用该装置演示了高保真的单粒子和双粒子量子行走过程。

拨云见日,62Q的“祖冲之号”真的拥有全球最多量子比特数吗?-量子客
图1|二维方形超导量子比特阵列(来源:中科大)

诚如研究团队在论文中所表达的,在超导量子处理器上演示可编程量子行走,是一个重要的技术里程碑,为更复杂的量子多体模拟提供了坚实的基础,在未来可以进一步探索量子搜索算法,甚至通用量子计算方向迈进

的确,量子计算机具有快速并行计算能力,有望通过特定算法,成倍加速解决重要社会和经济问题,如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等。因此量子计算机的进展时刻受到业界的关注,而常规恒定判断量子计算机的发展,多以量子比特数来判断。

朱晓波教授在多个公开场合就特别说明,不能以数量多来判断量子计算机的性能,还需要考虑量子比特的质量,操控情况等

 

2. 公开报道和公开发表带来的歧义?

部分媒体在报道此次研究成果时,没有使用了“公开报道”一词。例如称“祖冲之号”为“目前世界上最大量子比特数的超导量子体系”。

而普通大众所理解的“公开报道”为在权威平台上进行正式对外报道则为公开报道,但是如果照此理解,“祖冲之号”并不能成为“目前公开报道的世界上最大量子比特数的超导量子体系”。而如果将“公开报道”理解为“公开发表论文”,则合情合理。

以此看来,目前世界上最大量子比特数的超导量子体系,分三种情况:

(1) 产业界:IBM65量子比特的“Hummingbird”可以在线使用,62量子比特的“祖冲之号”目前尚未进入产业界,尚未接入云端;

(2) 学术界:公开发表论文的情况下,对比谷歌53量子比特的“Sycamore”,62量子比特的“祖冲之号”是全球拥有超导量子比特数量最大的量子处理器;

(3) 研究界:这里不考虑性能好坏,单纯就量子比特数量来看,谷歌2018年的“Bristlecone”应当是研究界中超导量子比特数量最大的量子处理器。即便没有发表论文,谷歌仍在2018年洛杉矶举行的APS年会上展示了Bristlecone量子处理器。如果不拘泥于“公开发表”/“公开报道”的字眼,Bristlecone量子处理器最大量子比特数的超导量子体系实至名归。

 

3. 讨论:是否是世界上最大量子比特的超导体系?

就在该成果发布后,外界媒体报道良多,包括一些比较知名的科技媒体,直接宣称这是当前世界上最大量子比特数的体系。值得注意的是,多数媒体平台,将“祖冲之号”描述为“目前公开报道的世界上最大量子比特数的超导量子体系”,引发了一些争议。

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图2|其他媒体平台报道(来源:网络)

量子客后台也收到了很多留言询问:该62量子比特系统是否是世界上目前最大量子比特数的超导量子体系?是否是通用量子计算机

这里“全球最大”的定义有一些含糊,是在学术界?还是在产业界?或者是有公开论文评审?

早在2020年9月,IBM曾公开发布65量子比特的系统。

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图3|IBM Hummingbird(来源:IBM)

同样基于超导量子路线的IBM Q发布的65量子比特后端系统名为ibmq_manhattan,其代号是Hummingbird R2.65Q.QV32。其中,R2表示第二版,65Q是该系统使用了65个可用量子比特,QV32指的是该量子处理最大量子体积为QV32 (量子体积是IBM提出的衡量量子计算系统性能的一个指标,详情可参考Qulib文章《深度全面解读量子计算机性能衡量标准——Quantum Volume》)。

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图4|后端系统ibmq_manhattan(来源:IBM)

据量子客核实官方信息,IBM Q在2020年9月就开始给客户提供第二版Hummingbird量子处理器,这是有史以来IBM对外发布的拥有65量子比特的最大量子系统。目前该芯片已经可以在线使用。

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图5|ibmq_manhattan技术参数(来源:IBM)

而后,在《墨子沙龙官方账号上也看到了更为准确的描述,是“目前公开报道 (这里指的是学术发表的公开,而非产业界媒体或自身对外发布的“公开”)

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图6|《墨子沙龙》报道(来源:网络截图)

如果从这个角度来说,除了谷歌实现量子霸权 (量子优越性) 的53Q处理器,那最大数量子比特的毫无疑问就是“祖冲之号”。但是产业界“真实”的进展情况也不容忽视。

众所周知,超导量子计算是最有希望实现可扩展量子计算的候选技术路线之一,其核心目标在于同步增加集成量子比特数量,提升超导量子比特的性能,在处理具体问题时实现指数级加速,并最终应用于实践。因此大规模的量子比特数的突破,给行业带来突破性信息冲击。

不仅仅是中科大类似的研究机构,科技巨头如IBM谷歌英特尔以及中国的首个量子计算初创公司,都选择了超导作为其发展量子计算的技术路线。

早在2018年3月5日,谷歌在一个学术会议上发布了名为“Bristlecone”的量子处理器,拥有72个超导量子比特[4]。而在2019年10月23日,谷歌再次发布了名为“Sycamore”的量子处理器,拥有53个超导量子比特,并实现量子霸权,发文于《自然》杂志,其量子计算芯片性能超越了Bristlecone[5]。

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图7|(左) Bristlecone量子处理器的芯片 (右) Bristlecone量子处理器的布局(来源:谷歌)
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图8|a) Sycamore量子处理器的布局 b) Sycamore量子处理器的芯片(来源:谷歌)

这里稍作分析。首先,除了量子退火计算,超导技术路线多是基于门型的量子计算模型,编程性好。其次,IBM和谷歌作为科技企业,不同于学术机构,他们更关心产品是否向用户交付,注重产品壁垒,甚至一些领先的核心技术不愿向期刊杂志透露。

这里需要注意一点,公开报道需要通过同行评审 (peer review) ,是一种学术成果审查程序,即一位作者的学术著作或计划被同一领域的其他专家学者评审。同行评审程序的主要目的是为了确保作者的著作水平符合一般学术与该学科领域的标准。

而上述的量子处理器中,只有谷歌53量子比特的“Sycamore”和我国62量子比特的“祖冲之号”进行了同行评审,所以才称“祖冲之号”为“目前公开报道的世界上最大量子比特数的超导量子体系”

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图9|超导量子处理器对比表格(来源:量子客)

当量子计算开始向产业界迈进后,企业更关注其是否可以实际应用,而非是否经过同行评审。即便这对于学术界来说,至关重要。不同于“祖冲之号”,IBM的“Hummingbird”是可以在线使用的,而这一点也是学术界和产业界的区别。

不可否认,此次的研究成果的确令人为之振奋,但要落实到实际应用当中,还言之尚早,每次的进展与突破都只是一项庞大且艰巨的研究工作中一个步骤

 

 

参考链接:

[1]http://quantumcas.ac.cn/2021/0508/c20525a484417/page.htm

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

[3]https://www.globaltimes.cn/page/202105/1222944.shtml

[4]https://ai.googleblog.com/2018/03/a-preview-of-bristlecone-googles-new.html

[5]https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5#data-availability

[6]https://twitter.com/jaygambetta/status/1300792938902028289

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁 艳