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2025年量子芯片將行至何處?
來源:互聯(lián)網(wǎng)   發(fā)布日期:2025-01-16 06:58:10   瀏覽:192次  

導(dǎo)讀:“祖沖之三號(hào)”量子處理器示意圖來源:中國科大團(tuán)隊(duì)發(fā)布于預(yù)印本平臺(tái)arXiv的論文2024年最后一個(gè)月,谷歌和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先后發(fā)布105比特的超導(dǎo)量子芯片,再度點(diǎn)燃了產(chǎn)業(yè)界對(duì)量子計(jì)算的熱情。谷歌團(tuán)隊(duì)基于量子處理器Willow,破解了困擾量子糾錯(cuò)領(lǐng)域近30年的關(guān)鍵問題,使量子糾錯(cuò)能夠隨著量子比特?cái)?shù)的增加“越糾越對(duì)”,還在5分鐘內(nèi)完成了當(dāng)前最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一需要10的2 ......

2025年量子芯片將行至何處?

“祖沖之三號(hào)”量子處理器示意圖

來源:中國科大團(tuán)隊(duì)發(fā)布于預(yù)印本平臺(tái)arXiv的論文

2024年最后一個(gè)月,谷歌和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先后發(fā)布105比特的超導(dǎo)量子芯片,再度點(diǎn)燃了產(chǎn)業(yè)界對(duì)量子計(jì)算的熱情。谷歌團(tuán)隊(duì)基于量子處理器Willow,破解了困擾量子糾錯(cuò)領(lǐng)域近30年的關(guān)鍵問題,使量子糾錯(cuò)能夠隨著量子比特?cái)?shù)的增加“越糾越對(duì)”,還在5分鐘內(nèi)完成了當(dāng)前最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一需要10的25次方年(比宇宙年齡還長)才能完成的計(jì)算任務(wù)(詳見《馬斯克、奧特曼點(diǎn)贊,谷歌量子芯片有多強(qiáng)?》)。中國科大團(tuán)隊(duì)基于量子處理器“祖沖之三號(hào)”, 實(shí)現(xiàn)了比谷歌(SYC-67和SYC-70實(shí)驗(yàn))更大規(guī)模的隨機(jī)電路采樣,經(jīng)典模擬成本(經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬該任務(wù)的成本)提升了6個(gè)數(shù)量級(jí),樹立了量子計(jì)算優(yōu)勢的新基準(zhǔn)。在電路規(guī)模、糾錯(cuò)效率、保真度、相干時(shí)間、處理能力上,量子芯片都取得了新的進(jìn)展。更大規(guī)模的量子電路基于“祖沖之三號(hào)”量子處理器,中國科大團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了比谷歌上一代量子處理器“懸鈴木”更大規(guī)模的隨機(jī)電路采樣,推高了當(dāng)前量子硬件功能的上限。在基于“祖沖之三號(hào)”的隨機(jī)電路采樣實(shí)驗(yàn)中,中國科大團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了32次循環(huán)、83個(gè)量子比特的隨機(jī)量子電路。此前,最大規(guī)模的隨機(jī)量子電路由谷歌基于“懸鈴木”處理器實(shí)現(xiàn),包括32次循環(huán)、67 個(gè)量子比特的SYC-67實(shí)驗(yàn)和24次循環(huán)、70 個(gè)量子比特的SYC-70實(shí)驗(yàn)。除了使用更多量子比特,中國科大團(tuán)隊(duì)的隨機(jī)量子電路還追平了谷歌的循環(huán)數(shù)。循環(huán)數(shù)指線路深度,每一個(gè)循環(huán)包含單量子比特門和雙量子比特門各一層。循環(huán)次數(shù)的增加,意味著能夠?qū)崿F(xiàn)更大的量子電路體積。量子糾錯(cuò)新突破由于量子比特容易受到環(huán)境中的噪聲和干擾,變得不穩(wěn)定,遠(yuǎn)高于經(jīng)典計(jì)算的錯(cuò)誤率就成為量子計(jì)算的一大挑戰(zhàn)。1995年,麻省理工學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)教授彼得肖爾(Peter Shor)提出量子糾錯(cuò)理論,將多個(gè)物理量子比特編碼為邏輯量子比特,基于兩者的映射關(guān)系來檢測并糾正錯(cuò)誤。在量子糾錯(cuò)的過程中,增加物理量子比特的數(shù)量能夠提升對(duì)物理錯(cuò)誤的抑制能力,但也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的增加。因而,錯(cuò)誤必須足夠稀疏,才能使量子計(jì)算的邏輯性能隨著編碼規(guī)模的擴(kuò)大而增強(qiáng)。2024年12月,谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一項(xiàng)基于Willow的突破性進(jìn)展:隨著量子比特?cái)?shù)量的增加,錯(cuò)誤率降低,使量子糾錯(cuò)“越糾越對(duì)”。在基于Willow的量子糾錯(cuò)實(shí)驗(yàn)中,邏輯量子比特以低于量子糾錯(cuò)閾值的錯(cuò)誤率運(yùn)行。谷歌團(tuán)隊(duì)測試了表面碼碼距為3、5和7的物理量子比特陣列,錯(cuò)誤率隨著碼距增加依次減半。國盾量子云平臺(tái)負(fù)責(zé)人儲(chǔ)文皓向《中國電子報(bào)》記者表示,低于閾值的量子糾錯(cuò),為量子計(jì)算芯片的Scaling Law(縮放定律)奠定了基礎(chǔ),只要產(chǎn)業(yè)界能通過工藝技術(shù)集成更多的量子比特,并提升量子計(jì)算機(jī)整機(jī)的工程化規(guī)模,就能夠?qū)崿F(xiàn)碼距為9、碼距為11,甚至碼距為2n+1的大規(guī)模糾錯(cuò)結(jié)構(gòu),且糾錯(cuò)效率、保真度以及量子比特壽命都將隨之提升。正確率提升在量子計(jì)算測試中,祖沖之三號(hào)和Willow都實(shí)現(xiàn)了高保真度。祖沖之三號(hào)單比特門、雙比特門和讀出保真度分別為 99.90%、99.62% 和 99.18%。在量子糾錯(cuò)測試中,谷歌Willow單比特門、雙比特門、讀取錯(cuò)誤率的中位數(shù)分別為0.035%、0.33%和0.77%,也就是保真度中位數(shù)分別為99.97%、99.67%和99.23%;在RCS基準(zhǔn)測試中的單比特門、雙比特門、讀取錯(cuò)誤率中位數(shù)分別為0.036%、0.14%和0.67%,也就是保真度中位數(shù)分別為99.96%、99.86%和99.33%。據(jù)儲(chǔ)文皓介紹,量子保真度分為讀取保真度、單比特門保真度、雙比特門保真度,指代的是在量子計(jì)算中,對(duì)于單個(gè)或多個(gè)量子比特進(jìn)行同時(shí)操作以及整體讀取時(shí)的正確率。保真度越高,對(duì)量子比特的操控和讀取就越準(zhǔn)確。相干時(shí)間延長另一個(gè)重要進(jìn)展是相干時(shí)間的延長。祖沖之三號(hào)的能量弛豫時(shí)間(T1)和相位弛豫時(shí)間(T2)分別提升至72s和58s。Willow的T1時(shí)間提升至100s,是上一代懸鈴木處理器的5倍。相干時(shí)間是比特能夠維持量子狀態(tài)的時(shí)間,相干時(shí)間結(jié)束后,量子比特會(huì)坍縮,無法再執(zhí)行計(jì)算。更長的相干時(shí)間意味著量子能夠維持更長時(shí)間的疊加態(tài),完成更多計(jì)算。據(jù)國儀量子介紹,T1時(shí)間和T2時(shí)間是相干時(shí)間的兩個(gè)主要參數(shù)。T1時(shí)間是量子比特從高能態(tài)(激發(fā)態(tài))返回到低能態(tài)的時(shí)間,類比經(jīng)典計(jì)算就是經(jīng)典比特從1變回0的時(shí)間;T2時(shí)間是量子比特在疊加態(tài)中保持相位信息的時(shí)間,T2時(shí)間結(jié)束后,量子比特會(huì)丟失所攜帶的信息。較長的T1和T2時(shí)間,使量子比特可以在較長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的狀態(tài),從而提高計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性。更強(qiáng)的處理能力基于量子比特規(guī)模的增加、操作保真度的提升、相干時(shí)間的延長以及工藝技術(shù)的改善,Willow和祖沖之三號(hào)在隨機(jī)電路采樣(RCS)基準(zhǔn)測試中,都展現(xiàn)出較上一代量子處理器的更好成績,進(jìn)一步展現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性。Willow在5分鐘內(nèi),完成了當(dāng)前最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要10的25次方年(比宇宙年齡還長)才能完成的計(jì)算任務(wù)。祖沖之三號(hào)在幾百秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)100 萬個(gè)樣本的采樣,同等任務(wù)需要經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)Frontier大約 6.4×10的9次方年才能復(fù)制,經(jīng)典模擬成本(經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬該任務(wù)的成本)較谷歌的 SYC-67 和 SYC-70 實(shí)驗(yàn)提升了6個(gè)數(shù)量級(jí),樹立了量子計(jì)算優(yōu)勢的新基準(zhǔn)。2025年被寄予厚望2025年,被聯(lián)合國定為“量子科學(xué)與技術(shù)之年”。產(chǎn)業(yè)界有望在2025年看到更大量子比特規(guī)模的量子處理器及其工程化集成系統(tǒng)。按照量子計(jì)算路線圖,谷歌將在2025年之后實(shí)現(xiàn)其“6個(gè)里程碑”的第3個(gè),即構(gòu)建1000物理量子比特的量子計(jì)算機(jī),并編碼一個(gè)長壽命的邏輯量子比特。IBM將在2025年發(fā)布包含1386量子比特、具有量子通信鏈路的多芯片處理器“Kookaburra”。作為演示,IBM會(huì)將三個(gè)Kookaburra芯片接入一個(gè)包含4158量子比特的系統(tǒng)中。谷歌量子計(jì)算路線圖

(原圖來自谷歌,中國電子報(bào)譯)

在谷歌圍繞“具備糾錯(cuò)能力的實(shí)用量子計(jì)算機(jī)”設(shè)計(jì)的路線圖中,每一個(gè)里程碑的實(shí)現(xiàn),都會(huì)將物理量子比特的數(shù)量提升10倍。如果芯片工藝能夠匹配量子計(jì)算的腳步,量子芯片或?qū)⒂瓉碜约旱摹澳柖伞!白钪匾氖侨绾位诂F(xiàn)有的芯片技術(shù)、芯片產(chǎn)業(yè),去做好量子計(jì)算芯片在未來5到10年內(nèi)的Scaling(擴(kuò)展)。無論是把它的設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步精進(jìn),減少芯片制造過程中的薄膜缺陷、電路差損等問題;還是更好地嵌入現(xiàn)有的微納加工工藝,在更微縮的制程上實(shí)現(xiàn)芯片的制備和表征;以及更好地實(shí)現(xiàn)封裝工藝或者更底層技術(shù)范式的革新。”儲(chǔ)文皓告訴《中國電子報(bào)》記者。除了量子芯片,超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)還包括低溫組件、包含稀釋制冷機(jī)的極低溫極低噪聲平臺(tái)、室溫端電子學(xué)測控系統(tǒng)、操控軟件及系統(tǒng)等。儲(chǔ)文皓表示,更大規(guī)模的稀釋制冷機(jī)、更低溫的射頻電子學(xué)設(shè)備和傳輸設(shè)備,以及更加高效智能的基礎(chǔ)軟件,將與量子芯片的迭代一起,推動(dòng)量子計(jì)算的創(chuàng)新發(fā)展。作者丨張心怡編輯丨諸玲珍美編丨馬利亞監(jiān)制丨連曉東

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