袁岚峰在央视新闻解读超导量子随机行走计算机“祖冲之号” | 科技袁人

　　导读

　　通过这种量子随机行走的方法，原理上什么任务都能做。

　　精彩呈现：

　　今天（2021年5月9日），又有央视和环球时报的记者来找我。原因很明显，科大潘建伟院士、朱晓波教授等人造出了基于二维量子行走的可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”（http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74972.htm）。每当见到这种令普通人一头雾水又不明觉厉的量子科技新闻，就有许多记者来问我了，我也很高兴为科学界与媒体之间架起桥梁。

　　论文链接：https://science.sciencemag.org/content/early/2021/05/05/science.abg7812

　　我告诉她们，首先这是个量子计算方面的进展。

　　关于量子计算我做过很多介绍，基本图景是这样：现在所有的计算机都等价于“图灵机”，所以它们可计算的问题是一样的，它们可有效计算的问题也是一样的。可计算的意思是，能在有限时间内得到解，无论这个时间有多长。可有效计算或者可快速计算的意思是，计算量随问题规模的增长速度是多项式增长，而不是指数增长。例如因数分解用现有的计算机，就不可快速计算。

　　图灵机构造图

　　而量子计算机却有可能快速计算更多的问题，虽然它可计算的问题跟传统计算机还是一样的。例如因数分解，量子计算机就可以快速计算。量子计算机有这种能力，是因为量子力学的一些超越经典力学的特性，如两条路径之间的干涉。因此，在密码破解、交通规划、制药、材料设计等很多方面，量子计算机有希望带来巨大的突破。

　　然后，量子计算机有若干条技术路线正在探索，如超导、光学、离子阱、冷原子、金刚石色心、核磁共振等等。它们实现的都是相同的原理，但不同的技术路线各有特色和优势。祖冲之号跟2019年谷歌的“悬铃木”（Sycamore）一样，用的是超导电路。而2020年12月刷屏的“九章”，用的是光学。

　　“悬铃木”（Sycamore）

　　九章

　　然后，祖冲之号用的物理操作是二维的量子随机行走。所谓随机行走就好比醉汉走路，每一步都走一个完全随机的方向，跟以前的历史无关。为什么要用这个呢？因为2009年和2013年，安德鲁·蔡尔兹（Andrew Childs）等人理论证明了，利用连续时间量子行走可以实现通用量子计算。他们指出，编码在量子比特上的单个漫步者或者无需量子比特编码而具有相互作用的多个量子漫步者可以实现通用量子计算，并很可能可以实现具有指数级加速的量子算法（在可编程量子处理器上“漫步” | 墨子沙龙）。而且，基于随机行走的量子算法要超越传统算法，至少需要二维，也就是说需要在一个平面上走，而不是在一条线上走。所以潘建伟、朱晓波等人做了这个二维的量子随机行走。

　　然后，具体而言，祖冲之号实现了62个量子比特。为什么是这么个不零不整的数字？因为原本是8 * 8的二维格子，应该有64个量子比特，好像一个国际象棋棋盘，但这64个中坏了两个，所以最后是62个。谷歌的悬铃木也是如此，原本应该是54个，但做出来以后发现坏了一个，所以得到53个。

　　二维超导量子比特芯片示意图

　　最后，这个成果有什么用？目前还没有任何特别的应用，它的意义是实现了一种通用量子计算的原型机。也就是说，通过这种量子随机行走的方法，原理上什么任务都能做。这跟九章是不同的，九章只能干一件事，就是“玻色子取样”，但这一件事就做得特别快，比现有最强的超级计算机快一百万亿倍，这叫做专用量子计算机。祖冲之号和悬铃木属于通用量子计算机，它们原则上什么都能干，只是不一定干得很快，这需要进一步发展。

　　所以说来说去，祖冲之号的定位是什么呢？它是目前量子比特数最多的超导量子计算机。几个月以前，我见到朱晓波的时候，他就告诉过我他们正在力争赶上悬铃木的水平，并且做出新的特色，所以我对这个成果毫不意外。以后一段时间，我们可能就会听到祖冲之号在尝试各种具体的任务，一会实现了这个，一会实现了那个。这就是平台的意义。