中国科学家成功研制“九章三号”量子计算原型机

中国科学家成功研制“九章三号”量子计算原型机 在成功构建“九章二号”两年后,中国科学家宣布已成功构建量子计算原型机“九章三号”,计算速度比目前全球最快的超级计算机快一亿亿倍。 据中国科学技术大学官网星期三(10月11日)发布的消息,中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中国科学院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作,成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章三号”。 中科大官网称,科研人员设计了时空解复用的光子探测新方法,构建了高保真度的准光子数可分辨探测器,提升了光子操纵水平和量子计算复杂度。 根据公开正式发表的最优经典精确采样算法,“九章三号”处理高斯玻色取样的速度比上一代“九章二号”提升100万倍。“九章三号”在百万分之一秒时间内所处理的最高复杂度的样本,需要当前最强的超级计算机“前沿”(Frontier)花费超过200亿年的时间。 官网称,这一成果再度刷新了光量子信息的技术水平和量子计算优越性的世界纪录,进一步巩固了中国在光量子计算领域的国际领先地位。 量子计算是后摩尔时代的一种新的计算范式,它在原理上具有超快的并行计算能力。研制量子计算机是当前世界科技前沿的最大挑战之一。 中国科大团队于2020年成功构建76光子的“九章”光量子计算原型机,并于2021年研制了113光子可相位编程的“九章二号”。

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潘建伟、朱晓波、彭承志等人与中科院上海技术物理研究所合作,近期成功构建66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”,这是不同于“九章”光量子技术路线的另一条技术路线。 今年5月,他们构建了62比特超导量子计算原型机“祖冲之号”,实现了可编程的二维量子行走。近期他们采用全新的倒装焊3D封装工艺,解决了大规模比特集成问题,构建了“祖冲之二号”。 对该机进行随机量子电路采样的基准测试,系统规模达到了56个量子比特和20个周期,对其进行经典模拟的成本约比2019年53量子比特的Sycamore高2~3个数量级。 有关成果10月25日在PRL发表。 (新华社)

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潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等人与中科院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作,近期成功构建113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”。该机求解高斯玻色取样数学问题比原型机“九章”快10^12倍,比经典超算蛮力模拟快10^24倍。 有关成果10月25日在物理评论快报上发表。 (新华社)

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科学家制成“世界上最纯净的硅” 量子计算机真的要来了吗? (来源:《自然?通讯材料》官网截图)尽管量子计算领域的研究成果往往晦涩难懂,但量子计算机和量子这个概念却在生活中频繁出现(比如名梗:遇事不决量子力学)。那么,量子计算究竟是什么?量子计算机真的可能实现吗?有没有可能用生活中的概念去尝试理解它们?为了让大家对量子计算有一个初步的了解,我们这里尽可能地以通俗化、具象化的语言来跟大家聊聊量子计算的那些三五事儿。量子计算(机)究竟是解决什么问题的?与经典计算不同,量子计算遵循量子力学规律,它是能突破经典算力瓶颈的新型计算模式。量子计算机以量子比特为基本运算单元,所谓的量子比特,是与经典比特作为区分。量子计算的发展历程(来源:国际商业机器公司 IBM)以上句子看起来很难理解,我们这里逐句拆解进行讲述。量子计算,看到对于这种冠有“量子”title 的名词,我们很难不将其与量子力学联系起来。自然而然,这种基于量子力学原理的计算方式与传统的经典计算有着本质的不同。具体来说,在经典计算中,信息是通过二进制数字(bits)来表示的,这种二进制数字或为 0 或为 1,类似一个只有开和关两个状态的“开关”。然而,量子计算打破了这一传统,信息是通过另一种方式即量子比特(qubits)来表示的,这种量子比特可以同时处于 0 和 1 的状态,也就是一种叠加态(这里可以参考薛定谔老先生那只既死又活的神奇猫咪)。除此之外,量子比特之间还可以存在某种特殊的关联,称为量子纠缠,这更类似一个可以处于多个状态的“开关旋钮”。经典信息(左)与量子信息(右)(来源:本源量子)凭借其独特的特性,量子计算机便能够利用量子比特进行计算,并且计算能力可以实现指数级爆炸式增长(这是因为 r 个量子比特可以承载 2r 个状态的叠加态,从而在每次计算中实现 2r 倍的计算量。相比之下,经典计算机需要 2r 个经典比特才能实现同样的算力)。因此量子比特在计算某些特定数学问题方面更胜一筹,这就意味着量子计算机可以纵横并重塑各个领域,突破目前阻碍任何涉及量子力学的极限。量子计算机是否可以实现?要想实现量子计算,目前主流的技术路线包括超导、离子阱、半导体、光学、量子拓扑等(其中,超导和离子阱的发展最为迅速)。目前来看,每种技术路线都有其优缺点,尚未有哪种路线能够完全满足实用化的要求。实现量子计算的主要技术路线(来源:《2023 全球量子计算产业发展展望》)量子计算机利用量子比代替传统计算机中的二进制比特,通过量子叠加和量子纠缠实现计算能力的飞跃。量子计算机的概念最早可以追溯到 20 世纪 80 年代,美国物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)提出了利用量子系统模拟其他量子系统的想法。1994 年,美国计算机科学家彼得·秀尔(Peter Shor)提出了一个量子算法,能够高效地分解大数,这一算法展示了量子计算机在解决特定问题上具有潜在优势。量子计算机的发展历程 (来源:日经中文网)进入 21 世纪以来,量子计算机的研制已成为全球科技前沿的重大挑战之一。国际商业机器公司(IBM)、谷歌(Google)、英特尔(Intel)等国际知名科技公司以及多所大学都在量子计算领域投入了大量资源。2019 年,美国谷歌公司研制出 53 个量子比特的计算机“悬铃木”,在全球首次实现量子优越性,他们宣称实现了“量子霸权”(量子处理器在特定任务上的表现超过了当时最先进的经典超级计算机)。值得注意的是,中国在量子计算领域也取得了重大进展。2020 年,中国科学技术大学潘建伟院士团队构建了 76 个光子的量子计算原型机“九章”,使中国成为全球第二个实现量子优越性的国家。2021 年,潘建伟院士团队及合作者成功研制了 113 个光子的“九章二号”和 66 比特的“祖冲之二号”量子计算原型机,使中国成为在光学和超导两条技术路线上都实现量子优越性的国家。2023 年,潘建伟院士团队及合作者又成功构建了 255 个光子的量子计算机原型机“九章三号”,在求解特定数学问题时,比目前全球最快的超级计算机快一亿亿倍,比“九章二号”速度提升了一百万倍。可以说,中国在量子计算领域已处于国际领先地位。“超纯硅”具体是怎么回事?硅是一种常见的半导体材料,广泛应用于现代电子技术中。硅基量子计算是量子计算领域的一个重要分支,它利用硅材料的特性来实现量子比特的存储和操作。具体来说,在硅基量子计算中,硅中的电子可以被限制在微小的区域内,形成所谓的量子点。这些量子点可以作为量子比特,用于存储和处理量子信息。硅基量子计算具有许多潜在的优势,包括与现有半导体工艺的兼容性(指的是其绝大多数工艺与传统的半导体工艺兼容,易于和半导体行业对接)、较长的相干时间(指的是量子比特保持其量子特性的时间)以及可扩展性(增加量子比特数目,以实现大规模量子计算),这使得它们更适合于量子计算。硅量子计算登上《自然》封面 。图片来源:《自然》杂志在经典计算抑或是量子计算,都需要具有规则晶体结构的高纯度硅,这是因为非晶硅充满悬空键、氧分子和其他杂质,导致其电性能不佳。然而,从自然界中直接提取的硅存在一个不可忽视的问题,即它包含三种稳定的同位素:硅-28(28Si)、硅-29(29Si)和硅-30(30Si)。其中,硅-29 约占硅的 4.68% ,其原子核携带非零核自旋,会通过偶极相互作用对用于编码量子比特的电子自旋造成干扰。而硅-30 仅占硅的 3.09% ,含量少且电子自旋与核自旋之间的相互作用较大。这使得只有硅-28 被认为是较为理想且纯净的量子计算材料。因此,尽可能减少硅-29 和硅-30 的影响是提升量子计算性能的关键。为了解决这一问题,研究团队利用聚焦离子束技术,从一种名叫 P-NAME 聚焦离子束系统中将一束聚焦且高速的纯硅-28 离子射向硅片,通过植入硅-28 来消耗自然硅中的硅-29 ,从而将硅-29 的比例从 4.68% 最高降至0.00023%(2.3ppm),将-30 的比例从3.09%最高降至0.00006%(0.6ppm)。随后,他们通过两步退火工艺,将植入后的非晶态重新结晶,恢复了硅片的晶体结构。该技术不仅能实现这种极端的硅-28 富集,还避免引入可能干扰量子比特的其他杂质。聚焦离子束同位素富集 Si-28 原理图(来源:《自然·通讯材料》杂志)为了验证植入效果,研究者们采用了纳米级二次离子质谱(NanoSIMS)分析(这是一种能够精确测量样品中不同同位素比例的技术)。通过分析发现,研究者们确认了植入区域中硅-29 的残留浓度显著降低,并且没有引入额外的杂质,如碳(C)和氧(O)等。此外,透射电子显微镜(TEM)分析进一步证实了植入体积的非晶态特性以及退火后的单晶相外延再结晶。这些结果表明,通过聚焦离子束技术可以在硅晶片中实现高纯度的硅-28 富集区域,为量子比特的稳定性提供了保障。这种技术制造的“超纯硅”有望在新材料设计、人工智能、能源存储以及物流制造等领域为整个社会带来革命性变革。该项目的联合导师、墨尔本大学的戴维-贾米森(David Jamieson)教授表示,他们下一步将证明该种材料能够同时维持许多量子比特的量子相干性。“悟源”系列超导量子计算机(来源:本源量子)这项杰出的工作不仅向人们展示了科学界在量子材料制备领域的进步,也为量子计算的实用化和规模化铺平了道路。随着量子技术的不断... PC版: 手机版:

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“九章三号”光量子计算原型机研制成功 #抽屉IT

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科学家利用光基处理器实现量子计算的巨大飞跃 这些新兴领域中在原子水平上运行的技术已经为药物发现和其他小规模应用带来了巨大的好处。未来,大规模量子计算机有望解决当今计算机无法解决的复杂问题。首席研究员、澳大利亚皇家墨尔本理工大学的阿尔贝托-佩鲁佐(Alberto Peruzzo)教授说,该团队的处理器是一种光子学设备,利用光粒子携带信息,通过最大限度地减少"光损失",有助于成功实现量子计算。提高量子效率佩鲁佐是皇家墨尔本理工大学量子计算与通信技术卓越中心(ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology,CQC2T)节点的负责人,他介绍说:"如果失去光线,就必须重新开始计算,其他潜在的进步包括提高了"不可破解"通信系统的数据传输能力,以及加强了环境监测和医疗保健领域的传感应用。"研究小组的可重新编程光基处理器。资料来源:皇家墨尔本理工大学 Will Wright研发成果研究小组在一系列实验中对光子处理器进行了重新编程,通过施加不同的电压实现了相当于 2500 个设备的性能。他们的研究结果和分析发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。这项创新可以为量子光子处理器带来更紧凑、更可扩展的平台。论文第一作者、皇家墨尔本理工大学博士生杨洋说,这种设备"完全可控",能在降低功耗的情况下快速重新编程,而且无需制作许多定制设备:"我们通过实验在单个设备上展示了不同的物理动态。这就像有了一个开关,可以控制粒子的行为方式,这对理解量子世界和创造新的量子技术都很有用"。合作创新意大利特伦托大学的 Mirko Lobino 教授利用一种名为铌酸锂的晶体制造了这种创新的光子装置,而美国印第安纳大学普渡大学印第安纳波利斯分校的 Yogesh Joglekar 教授则带来了他在凝聚态物理学方面的专业知识。铌酸锂具有独特的光学和电光特性,是光学和光子学各种应用的理想材料。Lobino说:"我所在的小组参与了该设备的制造工作,这尤其具有挑战性,因为我们必须在波导顶部微型化大量电极,以实现这种程度的可重构性。"Joglekar说:"可编程光子处理器为探索这些设备中的一系列现象提供了一条新的途径,而这些现象将有可能开启技术和科学领域令人难以置信的进步。"推进量子控制与此同时,佩鲁佐的团队还开发出了一种世界首创的混合系统,它将机器学习与建模相结合,对光子处理器进行编程,帮助控制量子设备。量子计算机的控制对于确保数据处理的准确性和效率至关重要。该设备输出精度面临的最大挑战之一是噪声,它描述了量子环境中影响量子比特性能的干扰。微微子是量子计算的基本单位。佩鲁佐说:"有一系列行业正在开发全面的量子计算,但它们仍在与噪声造成的误差和低效作斗争。控制量子比特的尝试通常依赖于对什么是噪声以及造成噪声的原因的假设。我们开发了一种协议,利用机器学习来研究噪声,同时利用建模来预测系统对噪声的反应,而不是做出假设。利用量子光子处理器,这种混合方法可以帮助量子计算机更精确、更高效地运行,从而影响我们未来控制量子设备的方式。我们相信,我们的新混合方法有可能成为量子计算领域的主流控制方法。"主要作者、来自皇家墨尔本理工大学的 Akram Youssry 博士说,与传统的建模和控制方法相比,新开发的方法的结果显示出显著的改进,可以应用于光子处理器以外的其他量子设备。他说:"这种方法帮助我们发现并理解了我们设备的一些方面,这些方面超出了这种技术的已知物理模型。这将帮助我们在未来设计出更好的设备。"这项工作发表在《Npj Quantum Information》上。未来展望与量子计算的潜力围绕其团队的光子设备设计和量子控制方法,可以创建量子计算方面的初创公司,他们将继续研究其应用及其"全部潜力"。量子光子学是最有前途的量子产业之一,因为光子学产业和制造基础设施已经非常完善。与其他方法相比,量子机器学习算法在某些任务中具有潜在优势,尤其是在处理大型数据集时。"想象一下,在这个世界上,计算机的工作速度比现在快几百万倍,我们可以安全地发送信息而不必担心信息被截获,我们可以在几秒钟内解决目前需要几年才能解决的问题。这不仅仅是幻想这是由量子技术驱动的潜在未来,而像我们这样的研究正在铺平道路。"编译自:ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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