使用105量子比特的“祖沖之3.0”處理器建立量子計算優(yōu)勢的新基準(zhǔn)

使用105量子比特的“祖沖之3.0”處理器建立量子計算優(yōu)勢的新基準(zhǔn)

Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor

https://physics.aps.org/featured-article-pdf/10.1103/PhysRevLett.134.090601

在對量子計算優(yōu)勢的不懈追求中，我們通過開發(fā)“祖沖之3.0”取得了重大進展。這臺超導(dǎo)量子計算機原型由105個量子比特組成，實現(xiàn)了高操作保真度，單量子比特門、雙量子比特門和讀出保真度分別達到99.90%、99.62%和99.13%。我們在“祖沖之3.0”上進行的83量子比特、32周期隨機電路采樣實驗突顯了其卓越的性能，僅用幾百秒就實現(xiàn)了100萬個樣本。這項任務(wù)在最強大的經(jīng)典超級計算機Frontier上被認(rèn)為是不可行的，后者需要大約5.9 × 10^9年才能復(fù)制該任務(wù)。這種處理能力的飛躍使得經(jīng)典模擬成本比谷歌的SYC-67和SYC-70實驗高出6個數(shù)量級[Morvan等人，Nature 634, 328 (2024)]，牢固地確立了量子計算優(yōu)勢的新基準(zhǔn)。我們的工作不僅推進了量子計算的前沿，而且為量子處理器在解決復(fù)雜現(xiàn)實世界挑戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用的新時代奠定了基礎(chǔ)。

引言——

量子計算優(yōu)勢的追求一直是量子計算領(lǐng)域的中心驅(qū)動力。這個術(shù)語捕捉了量子計算機能夠執(zhí)行即使是最先進的經(jīng)典計算機也無法企及的計算的關(guān)鍵時刻[1–9]。2019年，谷歌團隊開發(fā)了一個名為Sycamore的53量子比特超導(dǎo)量子處理器[2]來實現(xiàn)隨機電路采樣（RCS）[10–12]，他們聲稱這將需要最好的經(jīng)典超級計算機10000年。使用一種稱為高斯玻色采樣[13,14]的不同方法，在2020年，光子被用來展示量子計算優(yōu)勢，最初使用了76個光子[6]，后來增加到255個光子[7–9]。然而，由于經(jīng)典算法的快速發(fā)展[15–17]，文獻[2]中的RCS任務(wù)現(xiàn)在已經(jīng)能夠在GPU上以初始時間成本的2.9%和Sycamore所需功耗的6.7%高效完成[16,17]。這一事實表明，量子計算優(yōu)勢并不是在一次性實驗中確立的，而是在更快的經(jīng)典模擬和改進的量子設(shè)備之間的持續(xù)競爭中逐步建立的。持續(xù)的努力[3–5]致力于開發(fā)更大尺寸和更高保真度的超導(dǎo)量子處理器（見表I），推動量子技術(shù)可實現(xiàn)的邊界。迄今為止，文獻中報道的最大規(guī)模的RCS是67個量子比特在32周期（SYC-67）和70個量子比特在24周期（SYC-70）[5]。

在本文中，我們旨在挑戰(zhàn)這一記錄，并在量子計算優(yōu)勢中建立一個新的基準(zhǔn)。我們開發(fā)了“祖沖之3.0”，一個更強大的超導(dǎo)量子計算機原型，配備了105個量子比特和異常高保真的操控能力。單量子比特門、雙量子比特門和讀出保真度分別為99.90%、99.62%和99.13%。利用這個原型，我們的實驗利用了一個顯著更大的量子電路，83個量子比特在32周期，從而推動了當(dāng)前量子硬件能力的極限。在我們的“祖沖之3.0”上，獲取100萬個樣本的任務(wù)僅在幾百秒內(nèi)完成。這與今天最強大的超級計算機Frontier復(fù)制這一采樣任務(wù)所需的估計5.9 × 10^9年形成了鮮明對比。與谷歌的最新實驗SYC-67和SYC-70[5]相比，我們83個量子比特、32周期實驗的經(jīng)典模擬成本高出了6個數(shù)量級。通過這一成就，我們確立了量子計算優(yōu)勢的新基準(zhǔn)，這對于充分發(fā)揮量子計算的潛力至關(guān)重要。除此之外，我們的工作為研究量子比特數(shù)量和電路復(fù)雜性的增加如何提高解決現(xiàn)實世界問題的效率開辟了途徑。“祖沖之3.0”量子處理器——“祖沖之3.0”量子處理器從其前身“祖沖之2.0”顯著升級，量子比特的數(shù)量和質(zhì)量都有顯著增加。它現(xiàn)在擁有105個傳輸子量子比特，排列在15行7列中，形成一個如圖1所示的二維矩形晶格。我們進行了最多83個量子比特的實驗，這些量子比特是從處理器中選擇的。

“祖沖之3.0”量子處理器最顯著的進步之一是相干時間的增強。這一改進是通過幾個關(guān)鍵策略實現(xiàn)的。首先，我們優(yōu)化了量子比特的電路參數(shù)，包括電容和約瑟夫森電感，以減少對電荷和磁通噪聲的敏感性。其次，我們通過修改量子比特電容器墊的形狀來優(yōu)化電場分布，這最小化了表面介電損耗。第三，線路中的衰減器配置得到了升級，以減輕室溫電子設(shè)備的噪聲，顯著提高了退相干時間。最后，我們更新了芯片制造過程，通過光刻定義了頂部藍寶石基板上的鉭基組件和底部藍寶石基板上的鋁基組件，然后使用銦凸點倒裝技術(shù)將它們粘合在一起。這種方法減少了界面污染并增強了量子比特的弛豫時間。結(jié)果，我們將弛豫時間（T1）提高到72微秒，退相干時間（T2；CPMG）提高到58微秒，其中CPMG代表Carr-Purcell-Meiboom-Gill序列。

單量子比特門和類似ISwap門的校準(zhǔn)過程與“祖沖之2.0”中采用的類似。由于相干時間的進步，當(dāng)所有門同時應(yīng)用時，單量子比特門（e1）和類似ISwap門（e2）的平均Pauli誤差分別降低到0.10%和0.38%[如圖2(a)和2(b)所示]。

讀出性能是“祖沖之3.0”的另一個重要進步。為了實現(xiàn)快速且高保真的讀出，我們將量子比特和讀出諧振器之間的耦合強度增加到大約130 MHz，并將讀出諧振器的線寬調(diào)到大約10 MHz。然而，增加的耦合強度和線寬導(dǎo)致弛豫時間減少。為了解決這個問題，我們優(yōu)化了用于色散量子比特測量的帶通濾波器設(shè)計，保護量子比特免受Purcell效應(yīng)的影響。此外，我們采用行波參數(shù)放大器來放大讀出信號，從而實現(xiàn)卓越的讀出性能。

此外，在每次采樣任務(wù)之前，我們進行三輪測量，并應(yīng)用相應(yīng)的單量子比特門將量子比特重置為狀態(tài)|0?。這種方法減少了熱噪聲對狀態(tài)制備的影響，并縮短了每次采樣的持續(xù)時間。經(jīng)過這些優(yōu)化后，83個量子比特的平均讀出誤差被抑制到0.87%[如圖2(c)所示]。

大規(guī)模隨機電路采樣——在初始校準(zhǔn)之后，我們繼續(xù)進行隨機量子電路采樣，以評估量子處理器的整體性能。隨機量子電路是根據(jù)文獻[27]中概述的方法設(shè)計的，以擴大量子計算和經(jīng)典模擬之間的性能差距。值得注意的是，每層雙量子比特門中的類似ISwap門按照特定模式A、B、C和D應(yīng)用，如圖3(a)所示，并在每個周期中以ABCD-CDAB的順序執(zhí)行。每個周期中的單量子比特門是從集合{√X, √Y, √W}中隨機選擇的。

驗證完整隨機量子電路的保真度是具有挑戰(zhàn)性的，因為無法在經(jīng)典上模擬其理想輸出。為了解決這個問題，我們利用補丁電路來驗證大規(guī)模隨機量子電路。這些補丁電路是通過選擇性地移除補丁之間的部分雙量子比特門來制作的。整個電路可以被分成兩個獨立的部分，稱為兩個補丁，或者分成四個部分，稱為四個補丁。劃分越多，模擬越可行；然而，由于執(zhí)行的雙量子比特門數(shù)量減少，預(yù)期的保真度略有增加。我們實現(xiàn)了兩個補丁、四個補丁和完整版本的電路，從12個周期到32個周期，每個周期有31個量子比特，并計算了相應(yīng)輸出比特串的線性XEB保真度FXEB。實驗結(jié)果，如圖3(b)所示（兩個補丁的結(jié)果在補充材料[18]的圖S7中顯示），揭示了四個補丁電路與完整電路保真度的平均保真度比為1.05。這種高度的對應(yīng)性表明驗證電路在確保量子計算保真度方面的有效性。

這樣出色的量子處理器使我們能夠以前所未有的規(guī)模運行隨機電路采樣。如圖3(c)所示，我們已經(jīng)實現(xiàn)了83個量子比特電路的12-32周期的隨機電路采樣。對于具有83個量子比特和32周期的最大完整電路，我們總共收集了大約個比特串。為了評估其保真度，我們還從四補丁電路中收集了相應(yīng)的比特串，這些電路表現(xiàn)出0.030%的實驗保真度，而估計保真度為0.033%。這種高度的一致性表明，即使在大規(guī)模的量子比特和高電路深度下，使用離散誤差模型來估計保真度仍然非常可靠。因此，我們可以估計具有83個量子比特和32周期的完整電路的保真度為0.023%。

計算成本估算——模擬隨機量子電路的當(dāng)前最先進的經(jīng)典算法是張量網(wǎng)絡(luò)算法[16,17,28–35]。我們采用這種方法來評估我們最困難電路的經(jīng)典計算成本，該電路具有83個量子比特和32周期?？紤]到內(nèi)存限制，我們使用一種先進的方法[16,17]檢查了以下兩種情況。

第一種情況涉及將內(nèi)存限制在9.2拍字節(jié)（PB），這是當(dāng)前最強大的超級計算機Frontier的內(nèi)存大小。估計使用經(jīng)典計算機從83個量子比特、32周期的隨機電路生成一百萬不相關(guān)的比特串所需的浮點運算次數(shù)為。相比之下，谷歌的最新量子計算優(yōu)勢實驗[5]，SYC-67，估計經(jīng)典模擬復(fù)雜度為，以復(fù)制相同數(shù)量的比特串，其保真度與其實驗相匹配。因此，模擬我們最具挑戰(zhàn)性的隨機量子電路的經(jīng)典成本比SYC-67高出6個數(shù)量級。隨機電路采樣的進展在圖4中系統(tǒng)總結(jié)。對于我們的估計，我們利用了Frontier超級計算機的規(guī)格，它擁有1.685 × 單精度浮點運算每秒（FLOPS）的理論峰值性能。我們假設(shè)20%的FLOP效率，并考慮到模擬的低目標(biāo)保真度在計算成本中。每個單精度復(fù)數(shù)FLOP需要八個機器FLOP。在這些條件下，使用當(dāng)前最強大的超級計算機Frontier對最具挑戰(zhàn)性的隨機量子電路進行經(jīng)典模擬的預(yù)計時間為年。

張量網(wǎng)絡(luò)算法的復(fù)雜度受內(nèi)存限制影響，我們進一步設(shè)想了近乎無限內(nèi)存的情景作為采樣成本的估算下界——盡管該情景本身已不現(xiàn)實。將內(nèi)存上限設(shè)為超過762.2 PB（含F(xiàn)rontier的內(nèi)存與總存儲），我們估算生成一百萬條同等保真度無關(guān)聯(lián)比特串所需的浮點運算次數(shù)仍高達6.9×1031。相應(yīng)地，經(jīng)典模擬時間預(yù)估為驚人的5.2×10?年，凸顯了我們的量子優(yōu)勢之穩(wěn)健。

結(jié)論：“祖沖之3.0”是一款先進的超導(dǎo)量子計算機原型，擁有105個量子比特和卓越的操作保真度，不僅在量子比特數(shù)量上更進一步，也提升了量子操控精度。這一雙重進步是擴展量子計算能力的關(guān)鍵?；谶@一穩(wěn)健平臺，我們成功實現(xiàn)了比谷歌此前成果更大規(guī)模的隨機電路采樣，進一步拉大了經(jīng)典與量子計算的能力差距。本工作通過提供實證證據(jù)推進了量子計算討論，彰顯了該技術(shù)變革計算任務(wù)的潛力，既是量子硬件進展的見證，也為優(yōu)化、機器學(xué)習(xí)和藥物發(fā)現(xiàn)等實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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