中科院宣布！我国实现世界最大规模51比特量子纠缠态制备

7月14日消息，从中科院官网上信息显示，中国科学技术大学中国科学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与北京大学袁骁合作，成功实现了51个超导量子比特簇态制备和验证，刷新了所有量子系统中真纠缠比特数目的世界纪录，并首次演示了基于测量的变分量子算法。

据介绍，该工作将量子系统中真纠缠比特数目的纪录由原先的24个大幅突破至51个，充分展示了超导量子计算体系优异的可扩展性，对于研究多体量子纠缠、实现大规模量子算法以及基于测量的量子计算等具有重要意义。

据悉，相关研究成果于7月12日发表在国际学术期刊《自然》上。

团队长期瞄准“超导量子计算”领域

据悉，潘建伟、朱晓波、彭承志等长期瞄准超导量子计算领域，于2021年5月构建了当时国际上量子比特数目最多的62比特超导量子计算原型机“祖冲之号”，并实现了可编程的二维量子行走 。

量子计算优越性是量子计算发展的第 一个里程碑，是指量子计算机对特定问题的求解超越超级计算机。达到该里程碑需要相干操纵50个以上量子比特，超导量子比特是国际公认的有望实现可扩展量子计算的物理体系之一。

潘建伟等长期瞄准超导量子计算领域，团队在“祖冲之号”的基础上，采用全新的倒装焊3D封装工艺，解决了大规模比特集成的问题，研制成功“祖冲之二号”，实现了66个数据比特、110个耦合比特、11路读取的高密度集成，最大态空间维度达到了10的19次方。

“祖冲之二号”采用可调耦合架构，实现了比特间耦合强度的快速、精确可调，显著提高了并行量子门操作的保真度。通过量子编程的方式，研究人员实现了对量子随机线路取样，演示了“祖冲之二号”可用于执行任意量子算法的编程能力。

“祖冲之二号”量子计算优越性的成功演示，为量子纠错并进一步实现通用量子计算奠定了基础。其并行高保真度量子门操控能力和完全可编程能力，有望在特定领域找到有实用价值的应用，预期应用包括量子机器学习、量子化学、量子近似优化等。

何为“量子计算”？

量子计算使用亚原子粒子的物理学领域来执行复杂的并行计算，从而取代了当今计算机系统中更简单的晶体管。

量子计算机使用量子比特计算，计算单元可以打开，关闭或之间的任何值，而不是传统计算机中的字符，要么打开，要么关闭，要么是 1，要么是 0。

量子比特居于中间态的能力（称为“态叠加”），这为计算方程增加了强大的功能，使量子计算机在某种数学运算中更胜一筹。

量子计算机可以通过量子比特进行计算，这种计算过程需要耗费传统计算机无限长的时间，有时甚至根本无法完成。

例如，如今的计算机使用 8 位表示介于 0 到 255 之间的任何数字。得益于态叠加原理，量子计算机可以使用八个量子比特同时表示 0 到 255 之间的每个数字。

这是一项与计算中的并行性类似的功能：所有可能性都是一次性计算，而非按顺序计算，从而大幅增加速度。

因此，经典计算机每次执行一个长除法计算以分解一个庞大的数字，而量子计算机却可以仅通过一个步骤获得答案。

量子计算的发展

1994年，贝尔实验室的应用数学家P. Shor指出，相对于传统电子计算器，利用量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积。

这个结论开启量子计算的一个新阶段：有别于传统计算法则的量子算法（quantum algorithm）确实有其实用性，绝非科学家口袋中的戏法。

自此之后，新的量子算法陆续的被提出来，而物理学家接下来所面临的重要的课题之一，就是如何去建造一部真正的量子计算器，来执行这些量子算法。

许多量子系统都曾被点名做为量子计算器的基础架构，例如光子的偏振（photon polarization）、腔量子电动力学(cavity quantum electrodynamics,CQED）、离子阱（ion trap）以及核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）等等。

截止到2017年，考虑到系统的可扩展性和操控精度等因素，离子阱与超导系统走在了其它物理系统的前面。

2019年8月，中国量子计算研究获重要进展：科学家领衔实现高性能单光子源。

中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟与陆朝阳、霍永恒等人领衔，和多位国内及德国、丹麦学者合作，在国际上首次提出一种新型理论方案，在窄带和宽带两种微腔上成功实现了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的单光子源，为光学量子计算机超越经典计算机奠定了重要的科学基础。国际权威学术期刊《自然·光子学》日前发表了该成果，评价其“解决了一个长期存在的挑战”。

世界上第 一台商用量子计算机

加拿大量子计算公司D-Wave于2011年5月11日正式发布了全球第 一款商用型量子计算机“D-Wave One”。

D-Wave公司的口号就是——“Yes,you can have one.”。D-Wave On采用了128-qubit（量子比特）的处理器，理论运算速度已经远远超越现有任何超级电子计算机。

不过严格来说这还算不上真正意义的通用量子计算机，只是能用一些量子力学方法解决特殊问题的机器。通用任务方面还远不是传统硅处理器的对手，而且编程方面也需要重新学习。

另外，为尽可能降低qubit的能级，需要利用低温超导状态下的铌产生qubit，D-Wave 的工作温度需保持在绝对零度附近（20 mK）。

量子计算将有可能使计算机的计算能力大大超过今天的计算机，但仍然存在很多障碍。大规模量子计算所存在的一个问题是，提高所需量子装置的准确性有困难。

中科大首次研制出非局域量子模拟器

中国科学技术大学的量子信息重点实验室李传锋教授研究组首次研制出非局域量子模拟器，并且模拟了宇称—时间（Parity-time, PT）世界中的超光速现象。

这一实验充分展示了非局域量子模拟器在研究量子物理问题中的重要作用。

量子模拟器是解决特定问题的专用量子计算机，这一概念最早由费曼于1981年提出。费曼认为自然界本质上是遵循量子力学的，只有用遵循量子力学的装置，才能更好地模拟它，这个力学装置就是量子模拟器。

目前量子模拟器研究中，人们更多关注的是它的量子加速能力，通常情况下，一个量子模拟器所操控的量子比特数越多，它的运算能力就越强。