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中国量子计算的最新进展及展望

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中国量子计算的最新进展及展望

雪花又一年 2018-05-17 15:13:51 浏览79 评论0

摘要: ——————分割线—————————————— 2月22日,中科院量子信息与量子科技创新研究院(以下简称“量子创新研究院”)理事会会议暨2018年度工作会议在合肥召开。 这次会议发布了三个重要的科研成果。

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2月22日,中科院量子信息与量子科技创新研究院(以下简称“量子创新研究院”)理事会会议暨2018年度工作会议在合肥召开。

这次会议发布了三个重要的科研成果。
第一,阿里巴巴和潘建伟院士团队宣布11比特的超导芯片可以通过云平台进行操控。
第二,郭光灿院士团队的半导体量子芯片可以实现两比特DJ算法。
第三,郭光灿院士团队改进了模拟算法,使得经典计算机可模拟的量子比特数目超过72个,大大提高了量子霸权的门槛。

等我详细地一一介绍。

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首先说潘建伟院士的11位超导量子云平台。这是国内第一,也是国际第三了。国际前两个分别是IBM的20位和Rigetti的19位超导量子云平台。虽然数目上不够,但这是一个从无到有的突破。

下面简单比较一下相关参数,IBM的20位量子芯片的拓扑结构


两比特门受拓扑结构限制,并不能做到两两之间都有;单比特门保真度大都在99%以上,两比特门保真度大都在97-98%;T1大都在80-110us之间,T2大都在20-40us之间。

下面是Rigetti的19比特拓扑结构,


两比特门受拓扑结构限制,也并不能做到两两之间都有;单比特门保真度大都在98-99%,两比特门保真度大都在85-93%;T1大都在15-20us之间,T2大都在5-10us。总体上和IBM相比逊色不少。

这是阿里巴巴的芯片拓扑结构


两比特门受拓扑结构限制,只能保证邻近耦合,而且12个比特应该是坏了一个;单比特门保真度全部在99%以上,两比特门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比前两者都差很多。

总的来说,这一成就说明我国的超导量子技术达到了国际前沿。工艺方面基本上就是紧跟前沿,但缺乏创新,而且工艺性能并不突出,这在较短的T1和T2就可以看出来,保真度较高是因为所选取的比特结构不同,这种X-mon结构的比特保真度较高,但只能形成一维链。

在云平台对接和量子算法实现等方面,我们还是落后前两家公司。我的同学在上面跑了一个三比特GHZ态发现就乱掉了,在算法实现上也缺少努力,相比Rigetti的无监护机器学习算法来说,我们落后很多。

这当然不是该团队的问题,而是我们投入还太少,团队还没有资金和人才来做这些事情,希望未来能够加速发展。值得一提的是国内还有南京大学于扬课题组和合肥本源量子公司在做超导量子计算,和潘建伟院士的校企合作模式互补,助力中国超导量子计算的发展。

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现在讲一下郭院士在半导体量子计算方面的成果。

半导体量子计算相对于超导量子计算来说还仍然比较落后,发展缓慢。但是半导体量子计算得益于它成熟的半导体工艺,被认为是非常有前景的一种计算方式。国际芯片巨头Intel就同时投资了超导和半导体两种计算方式。

半导体量子比特有两种方法,分别是电荷量子比特和自旋量子比特。在电荷量子比特方面,郭院士组先后实现了单比特,两比特,三比特和如今的DJ算法,这种比特形式可扩展性强,但是相干时间短,测量的两比特保真度大概是69%,不过观察量子现象是没有问题的了。虽然我这里还看不到相关数据,但是应该是演示了DJ算法的结果。

DJ算法是一种可以证明量子算法具有加速作用的算法,具体到两比特DJ算法,其线路框图大概是这样子,上面的是Q1,叫做输入比特;下面的是Q2,叫做辅助比特。对Q1进行函数操作,当f(a=0)=f(a=1)=1或者f(a=0)=f(a=1)=0时,f(a)是常数函数;当f(a=0)=1,f(a=1)=0或者f(a=0)=0,f(a=1)=1时,f(a)是平衡函数。


用经典算法判断,就是计算两次,分别置Q1为1和0即可。

用量子算法判断,引入Uf=w


我们在结果中测量Q1,若是常数函数,结果总为0;若是平衡函数,结果总为1。这样就做到了一次判断函数的类型。

在使用两比特构建DJ算法的同时,郭院士领衔下的郭国平教授组还实现了三比特Toffoli门的操控,证明了电荷量子比特的可扩展性,提高了可操控的量子比特数目。这一成果最近发布在2月15日出版的应用物理权威期刊《Physical Review Applied》上,装置图如下,


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最后讲一下郭光灿院士团队在经典计算机的量子模拟方面的进展。

在今年2月以前,IBM和Google团队都实现了56量子比特的模拟电路。因而他们认为,只要做出大于56个比特的量子芯片,就可以实现量子计算机对经典计算机的超越——实现量子霸权。

然而,实现量子霸权并不是很简单。

2017年四月,Google发表文章《Characterizing quantum supremacy in near-term devices》,其中对量子霸权的定义是

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.

也就是说,只有经典超级计算机不能在合理的时间内运行的任意已知的算法来求解的问题,而能被量子计算机求解的问题才能证明量子霸权。

按照这种定义,事实上实现量子霸权是比较困难的。只要经典超级计算机上能模拟的比特数目超过一台量子计算机,那么,量子霸权就难以实现。

郭光灿院士团队为了更好地定义量子霸权,在超级计算机模拟上进行了研究。将两比特门的模拟进行了拆解,大大减小了计算资源,将比特数目提高到64个,经过理论推算,在更大的超级计算机上,这种模拟方法可以模拟多达72个量子比特。

这一研究成果将迫使我们不得不重新审视何为量子霸权,以及量子霸权应当如何实现。



原文发布时间为:2017.02.01
本文作者:Golden Horqin
本文来源:知乎,如需转载请联系原作者。

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