成果简介

　　2021年5月，中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队，成功研制了目前国际上超导量子比特数量最多的量子计算原型机“祖冲之号”，操纵的超导量子比特达到62个，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。国际权威学术期刊《科学》发表了该研究成果。

历史背景

　　量子计算机是指利用量子相干叠加原理，理论上具有超快的并行计算和模拟能力的计算机。量子计算机和我们现在理解的电脑差别很大。首先二者的计算形式不一样，电脑是通过电路的开和关来进行计算，我们日常用的电脑，不管是屏幕上的图像还是输入的汉字，这些信息在硬件电路里都会转换成1和0，再进行传输、运算、存储。而量子计算机则是以量子的状态作为计算形式，目前量子计算机使用的是如原子、光子等基本粒子，不同类型的量子计算机使用的是不同的粒子，比如说2020年年底我国研究团队成功研制出量子计算原型机“九章”，它就是用的光子。

　　曾有人打过一个比方：如果传统计算机的速度是自行车，量子计算机的速度就好比飞机。例如，一台操纵50个微观粒子的量子计算机，对特定问题的处理能力可超过目前最快的“神威·太湖之光”超级计算机。

创新历程

　　多粒子纠缠的操纵作为量子计算的技术制高点，一直是国际角逐的焦点。在光子体系，潘建伟团队在国际上率先实现了五光子、六光子、八光子和十光子纠缠，一直保持着国际领先水平。在超导体系，2015年，谷歌、美国航天航空局和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵。

　　潘建伟、朱晓波、彭承志等长期瞄准超导量子计算的核心问题开展研究并取得了一系列重要进展。2019年初，在一维链结构12比特超导量子芯片上实现了12个量子比特纠缠“簇态”的制备，保真度达到70%，打破了之前创造的10个超导量子比特纠缠的纪录。同时，研究团队开创性地将超导量子比特应用到量子行走的研究中，为未来多体物理现象的模拟以及利用量子行走进行通用量子计算的研究奠定了基础。随后，研究团队将芯片结构从一维扩展到准二维，制备出包含24个比特的高性能超导量子处理器，并首次在固态量子计算系统中，实现了超过20比特的高精度量子相干调控。

　　2021年5月，研究团队又在自主研制二维结构超导量子比特芯片的基础上，成功构建了国际上超导量子比特数目最多、包含62个比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并在该系统上成功进行了二维可编程量子行走的演示。研究团队在二维结构的超导量子比特芯片上，观察了单粒子及双粒子激发情形下的量子行走现象，研究了二维平面上量子信息传播速度，同时通过调制量子比特连接的拓扑结构的方式构建马赫-曾德尔干涉仪，实现了可编程的双粒子量子行走。该成果为在超导量子系统上实现量子优越性展示及可解决具有重大实用价值问题的量子计算研究奠定了技术基础。此外，基于“祖冲之号”量子计算原型机的二维可编程量子行走在量子搜索算法、通用量子计算等领域具有潜在应用价值，将是后续发展的重要方向。

重大意义和深远影响

　　“祖冲之号”可操纵的超导量子比特多达62个，而谷歌的“悬铃木”具备53个量子比特。这意味着，“祖冲之号”是世界上最大量子比特数的超导量子体系。该成果为在超导量子系统上实现量子优越性展示及可解决具有重大实用价值问题的量子计算研究奠定了技术基础，未来有望用于大数据优化、天气预报、材料设计、密码破译、药物分析等领域。