袁嵐峯在央視新聞解讀超導量子隨機行走計算機“祖沖之號” | 科技袁人_風聞

導讀

　　通過這種量子隨機行走的方法，原理上什麼任務都能做。

　　精彩呈現：

　　今天（2021年5月9日），又有央視和環球時報的記者來找我。原因很明顯，科大潘建偉院士、朱曉波教授等人造出了基於二維量子行走的可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”（http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74972.htm）。每當見到這種令普通人一頭霧水又不明覺厲的量子科技新聞，就有許多記者來問我了，我也很高興為科學界與媒體之間架起橋樑。

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

　　我告訴她們，首先這是個量子計算方面的進展。

　　關於量子計算我做過很多介紹，基本圖景是這樣：現在所有的計算機都等價於“圖靈機”，所以它們可計算的問題是一樣的，它們可有效計算的問題也是一樣的。可計算的意思是，能在有限時間內得到解，無論這個時間有多長。可有效計算或者可快速計算的意思是，計算量隨問題規模的增長速度是多項式增長，而不是指數增長。例如因數分解用現有的計算機，就不可快速計算。

　　圖靈機構造圖

　　而量子計算機卻有可能快速計算更多的問題，雖然它可計算的問題跟傳統計算機還是一樣的。例如因數分解，量子計算機就可以快速計算。量子計算機有這種能力，是因為量子力學的一些超越經典力學的特性，如兩條路徑之間的干涉。因此，在密碼破解、交通規劃、製藥、材料設計等很多方面，量子計算機有希望帶來巨大的突破。

　　然後，量子計算機有若干條技術路線正在探索，如超導、光學、離子阱、冷原子、金剛石色心、核磁共振等等。它們實現的都是相同的原理，但不同的技術路線各有特色和優勢。祖沖之號跟2019年穀歌的“懸鈴木”（Sycamore）一樣，用的是超導電路。而2020年12月刷屏的“九章”，用的是光學。

　　“懸鈴木”（Sycamore）

　　九章

　　然後，祖沖之號用的物理操作是二維的量子隨機行走。所謂隨機行走就好比醉漢走路，每一步都走一個完全隨機的方向，跟以前的歷史無關。為什麼要用這個呢？因為2009年和2013年，安德魯·蔡爾茲（Andrew Childs）等人理論證明了，利用連續時間量子行走可以實現通用量子計算。他們指出，編碼在量子比特上的單個漫步者或者無需量子比特編碼而具有相互作用的多個量子漫步者可以實現通用量子計算，並很可能可以實現具有指數級加速的量子算法（在可編程量子處理器上“漫步” | 墨子沙龍）。而且，基於隨機行走的量子算法要超越傳統算法，至少需要二維，也就是説需要在一個平面上走，而不是在一條線上走。所以潘建偉、朱曉波等人做了這個二維的量子隨機行走。

　　然後，具體而言，祖沖之號實現了62個量子比特。為什麼是這麼個不零不整的數字？因為原本是8 * 8的二維格子，應該有64個量子比特，好像一個國際象棋棋盤，但這64箇中壞了兩個，所以最後是62個。谷歌的懸鈴木也是如此，原本應該是54個，但做出來以後發現壞了一個，所以得到53個。

　　二維超導量子比特芯片示意圖

　　最後，這個成果有什麼用？目前還沒有任何特別的應用，它的意義是實現了一種通用量子計算的原型機。也就是説，通過這種量子隨機行走的方法，原理上什麼任務都能做。這跟九章是不同的，九章只能幹一件事，就是“玻色子取樣”，但這一件事就做得特別快，比現有最強的超級計算機快一百萬億倍，這叫做專用量子計算機。祖沖之號和懸鈴木屬於通用量子計算機，它們原則上什麼都能幹，只是不一定乾得很快，這需要進一步發展。

　　所以説來説去，祖沖之號的定位是什麼呢？它是目前量子比特數最多的超導量子計算機。幾個月以前，我見到朱曉波的時候，他就告訴過我他們正在力爭趕上懸鈴木的水平，並且做出新的特色，所以我對這個成果毫不意外。以後一段時間，我們可能就會聽到祖沖之號在嘗試各種具體的任務，一會實現了這個，一會實現了那個。這就是平台的意義。