“天目1號(hào)”超導(dǎo)量子芯片應(yīng)用成果重磅發(fā)布

來(lái)源：浙江大學(xué)

在人類探索未知的道路上，量子計(jì)算正在成為獨(dú)特而強(qiáng)大的工具。2021年12月，浙江大學(xué)杭州國(guó)際科創(chuàng)中心量子計(jì)算創(chuàng)新工坊首次發(fā)布“莫干1號(hào)”“天目1號(hào)”超導(dǎo)量子芯片學(xué)術(shù)成果。半年多時(shí)間過(guò)去，社會(huì)各界都在關(guān)注超導(dǎo)量子芯片到底可以用來(lái)干什么？

2022年7月22日，浙江大學(xué)在杭州國(guó)際科創(chuàng)中心重磅發(fā)布“天目1號(hào)”超導(dǎo)量子芯片系列應(yīng)用成果，用優(yōu)異成績(jī)給出了回答。浙江大學(xué)物理學(xué)院教授、杭州國(guó)際科創(chuàng)中心量子計(jì)算創(chuàng)新工坊首席科學(xué)家朱詩(shī)堯院士表示，科技發(fā)展就像跑步，不僅要跑得快，還希望更多人加入跑步隊(duì)伍，凝心聚力讓我國(guó)量子計(jì)算跑出更好成績(jī)。

依托量子計(jì)算創(chuàng)新工坊自研的“天目1號(hào)”超導(dǎo)量子芯片，浙江大學(xué)物理學(xué)院王震、王浩華研究組與清華大學(xué)交叉信息研究院鄧東靈研究組等合作，在超導(dǎo)量子芯片上首次采用全數(shù)字化量子模擬方式展示了一種全新的物質(zhì)——拓?fù)鋾r(shí)間晶體，解開了世界科學(xué)家都高度關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題，該成果已于近日亮相《自然》（Nature）雜志。

與此同時(shí)，浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院尹建偉團(tuán)隊(duì)開發(fā)了首個(gè)面向用戶的、支持多量子計(jì)算機(jī)并行調(diào)度的超導(dǎo)量子計(jì)算云平臺(tái)——“太元一號(hào)”，該平臺(tái)利用可視化的編程環(huán)境，降低量子計(jì)算機(jī)的使用門檻，可遠(yuǎn)程訪問(wèn)“天目1號(hào)”量子芯片，為量子計(jì)算機(jī)在多行業(yè)的廣泛應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

全數(shù)字化模擬！
尋找神奇的拓?fù)鋾r(shí)間晶體

什么是時(shí)間晶體？這個(gè)構(gòu)想是2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、麻省理工學(xué)院教授Frank Wilczek最早提出的：我們?nèi)粘Ｊ煜さ木w，比如食鹽、礦石等，構(gòu)成它們的原子在空間排列上是呈一定的周期性變化的；而時(shí)間晶體試圖把“晶體”的特征拓展到時(shí)間維度，它在時(shí)間上也呈現(xiàn)一定的周期性變化。

“常規(guī)的時(shí)間晶體已在某些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)，我們想做別人沒(méi)有做過(guò)的。”論文通訊作者之一、浙江大學(xué)研究員王震介紹道，2年前偶然得知清華大學(xué)的鄧東靈老師想做“拓?fù)鋾r(shí)間晶體”，他們覺(jué)得很有吸引力并與之開展合作，依托浙江大學(xué)的超導(dǎo)量子計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行探索，嘗試在“天目1號(hào)”超導(dǎo)量子芯片上創(chuàng)造這類全新的時(shí)間晶體。

目前，該成果研究論文Digital quantum simulation of Floquet symmetry-protected topological phases（數(shù)字化量子模擬Floquet對(duì)稱保護(hù)拓?fù)湎啵┮言趪?guó)際頂尖期刊《自然》（Nature）雜志發(fā)表，論文第一單位為浙江大學(xué)物理學(xué)院和杭州國(guó)際科創(chuàng)中心。

王震介紹，量子計(jì)算是通過(guò)在量子比特上執(zhí)行邏輯操作，也就是量子門實(shí)現(xiàn)的。不同量子門組合成不同的算法“積木”，用于搭建科學(xué)家心目中的“建筑”。浙大研究團(tuán)隊(duì)就在傾心打造通用性更高的量子“積木”?！爱?dāng)要解決具體的問(wèn)題時(shí)，只需要調(diào)用組合不同的‘積木’，而不需要更換芯片?！?論文共同第一作者，浙大物理學(xué)院的博士生張敘和鄧金鳳認(rèn)為，數(shù)字化量子模擬是一條通往通用量子計(jì)算的必經(jīng)之路。

在評(píng)估了清華大學(xué)鄧東靈研究組提出的精妙構(gòu)思后，浙大研究團(tuán)隊(duì)首次嘗試了“全數(shù)字化量子模擬”的實(shí)驗(yàn)方案，使用超導(dǎo)量子芯片（“天目1號(hào)”）上的26量子比特，通過(guò)深度高達(dá)240層的量子門線路實(shí)現(xiàn)了鄧東靈老師所設(shè)想的全新的時(shí)間晶體。

這是比“類比量子模擬”通用性更強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)方案，使用超導(dǎo)量子芯片具有更高的編程靈活度，以及更高的量子門精度，以執(zhí)行更多種類的量子算法。通過(guò)全數(shù)字化量子模擬，研究團(tuán)隊(duì)首次成功模擬了一個(gè)26個(gè)“準(zhǔn)粒子”組成的鏈狀拓?fù)鋾r(shí)間晶體，通過(guò)調(diào)制系統(tǒng)擾動(dòng)，實(shí)驗(yàn)成功刻畫該拓?fù)湎嗯c平庸熱化相的邊界。這就有點(diǎn)類似于一排小朋友聽(tīng)著耳機(jī)轉(zhuǎn)圈圈，即使音樂(lè)的節(jié)奏變了，仍可以觀察到一頭一尾兩個(gè)小朋友存在穩(wěn)定的 “默契”，周期性地呈現(xiàn)某種呼應(yīng)。

這一研究的成果，不僅表明了超導(dǎo)量子芯片上使用數(shù)字化量子模擬可以制備拓?fù)鋾r(shí)間晶體，更表明了這種方法有望被用于探索更多的物理學(xué)前沿問(wèn)題。

更加精準(zhǔn)！更好操作！
太元一號(hào)量子云平臺(tái)亮相

當(dāng)前，受到摩爾定律限制，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的性能發(fā)展正面臨著重大瓶頸。量子計(jì)算可提供強(qiáng)大算力，具有超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的巨大潛力，有望在網(wǎng)絡(luò)通信、生物醫(yī)藥、金融應(yīng)用、氣象預(yù)測(cè)等領(lǐng)域，解決一些經(jīng)典計(jì)算無(wú)法解決的任務(wù)。

但是現(xiàn)有量子計(jì)算機(jī)存在的應(yīng)用難點(diǎn)，又讓不少使用者望而卻步：一是量子比特?cái)?shù)受限，現(xiàn)有量子計(jì)算可解決的問(wèn)題規(guī)模小，量子芯片門保真度低，計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確；二是用戶學(xué)習(xí)成本高，量子計(jì)算涉及到量子力學(xué)、數(shù)理邏輯、計(jì)算機(jī)科學(xué)等復(fù)雜的理論知識(shí)，使得學(xué)習(xí)和開發(fā)量子算法的門檻很高；三是量子計(jì)算機(jī)價(jià)格昂貴，難以惠及廣大科研人員，僅制造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)就需要至少千萬(wàn)級(jí)別的硬件成本，更不用說(shuō)后期系統(tǒng)維護(hù)的不菲費(fèi)用了。

針對(duì)這些難點(diǎn)，浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院聯(lián)合量子計(jì)算創(chuàng)新工坊，基于自研的“天目1號(hào)”超導(dǎo)量子芯片，共同開發(fā)了首個(gè)面向用戶的、支持多量子計(jì)算機(jī)并行調(diào)度的超導(dǎo)量子計(jì)算云平臺(tái)——“太元一號(hào)”量子云平臺(tái)（又名：JanusQ Cloud），讓更多的社會(huì)公眾體驗(yàn)量子計(jì)算成為可能。

太元團(tuán)隊(duì)的百人計(jì)劃研究員，盧麗強(qiáng)介紹道，太元量子云平臺(tái)擁有三大亮點(diǎn)。亮點(diǎn)一是基于“天目1號(hào)”芯片，開發(fā)了面向用戶的、支持多量子計(jì)算機(jī)并行的作業(yè)調(diào)度方案，提升可用量子比特的規(guī)模。目前，國(guó)內(nèi)外已開放的量子云平臺(tái)僅支持對(duì)單個(gè)量子芯片進(jìn)行任務(wù)調(diào)度使用，尚未高效實(shí)現(xiàn)并行的量子計(jì)算機(jī)調(diào)度方式。在太元量子云平臺(tái)中，用戶可同時(shí)調(diào)用多個(gè)量子芯片，將特定應(yīng)用中可拆解的復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題并行地部署在量子計(jì)算機(jī)上，從而提升可用量子比特的數(shù)量，提高量子計(jì)算的效率。

亮點(diǎn)二是友好的編程環(huán)境。量子編程需要用戶對(duì)量子計(jì)算有一定了解，為了降低非專業(yè)用戶的量子計(jì)算開發(fā)門檻，提高量子程序的可理解性，太元量子云平臺(tái)自研了交互式可視化編程框架。太元云平臺(tái)的主要開發(fā)者，譚思危博士表示，太元云平臺(tái)向用戶可視化地展示量子電路編譯和量子計(jì)算結(jié)果，操作更加便捷智能，而這也是首個(gè)將量子計(jì)算過(guò)程可視化的編程框架。

亮點(diǎn)三是云平臺(tái)開放接口。為了拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，太元量子云平臺(tái)提供上層接口，支持用戶自定義構(gòu)建各類領(lǐng)域的量子算法應(yīng)用，通過(guò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)即可使用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。太元團(tuán)隊(duì)的尚永衡研究員還介紹道，該云平臺(tái)搭建了用戶交流社區(qū)，為更多領(lǐng)域研究者探索量子優(yōu)勢(shì)提供資源，為打造開放共享的量子科研生態(tài)提供有力支撐。

科研人員表示，希望通過(guò)太元量子云平臺(tái)的建設(shè)，能夠積極推進(jìn)“量子+”交叉學(xué)科領(lǐng)域研究，加速量子計(jì)算從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，從而推動(dòng)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。

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