2025年量子芯片將行至何處?
2024年最后一個月,谷歌和中國科學技術大學先后發(fā)布105比特的超導量子芯片,再度點燃了產業(yè)界對量子計算的熱情。
2025-01-17 09:09:13
來源:中國電子報、電子信息產業(yè)網(wǎng) 張心怡??

2024年最后一個月,谷歌和中國科學技術大學先后發(fā)布105比特的超導量子芯片,再度點燃了產業(yè)界對量子計算的熱情。

谷歌團隊基于量子處理器Willow,破解了困擾量子糾錯領域近30年的關鍵問題,使量子糾錯能夠隨著量子比特數(shù)的增加“越糾越對”,還在5分鐘內完成了當前最強大的超級計算機之一需要10的25次方年(比宇宙年齡還長)才能完成的計算任務(詳見《馬斯克、奧特曼點贊,谷歌量子芯片有多強?》)。

中國科大團隊基于量子處理器“祖沖之三號”, 實現(xiàn)了比谷歌(SYC-67和SYC-70實驗)更大規(guī)模的隨機電路采樣,經(jīng)典模擬成本(經(jīng)典計算機模擬該任務的成本)提升了6個數(shù)量級,樹立了量子計算優(yōu)勢的新基準。

在電路規(guī)模、糾錯效率、保真度、相干時間、處理能力上,量子芯片都取得了新的進展。

更大規(guī)模的量子電路

基于“祖沖之三號”量子處理器,中國科大團隊實現(xiàn)了比谷歌上一代量子處理器“懸鈴木”更大規(guī)模的隨機電路采樣,推高了當前量子硬件功能的上限。

在基于“祖沖之三號”的隨機電路采樣實驗中,中國科大團隊構建了32次循環(huán)、83個量子比特的隨機量子電路。此前,最大規(guī)模的隨機量子電路由谷歌基于“懸鈴木”處理器實現(xiàn),包括32次循環(huán)、67 個量子比特的SYC-67實驗和24次循環(huán)、70 個量子比特的SYC-70實驗。

除了使用更多量子比特,中國科大團隊的隨機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,意味著能夠實現(xiàn)更大的量子電路體積。

量子糾錯新突破

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,遠高于經(jīng)典計算的錯誤率就成為量子計算的一大挑戰(zhàn)。1995年,麻省理工學院應用數(shù)學教授彼得·肖爾(Peter Shor)提出量子糾錯理論,將多個物理量子比特編碼為邏輯量子比特,基于兩者的映射關系來檢測并糾正錯誤。

在量子糾錯的過程中,增加物理量子比特的數(shù)量能夠提升對物理錯誤的抑制能力,但也會導致錯誤的增加。因而,錯誤必須足夠稀疏,才能使量子計算的邏輯性能隨著編碼規(guī)模的擴大而增強。

2024年12月,谷歌量子AI團隊發(fā)布了一項基于Willow的突破性進展:隨著量子比特數(shù)量的增加,錯誤率降低,使量子糾錯“越糾越對”。

在基于Willow的量子糾錯實驗中,邏輯量子比特以低于量子糾錯閾值的錯誤率運行。谷歌團隊測試了表面碼碼距為3、5和7的物理量子比特陣列,錯誤率隨著碼距增加依次減半。

國盾量子云平臺負責人儲文皓向《中國電子報》記者表示,低于閾值的量子糾錯,為量子計算芯片的Scaling Law(縮放定律)奠定了基礎,只要產業(yè)界能通過工藝技術集成更多的量子比特,并提升量子計算機整機的工程化規(guī)模,就能夠實現(xiàn)碼距為9、碼距為11,甚至碼距為2n+1的大規(guī)模糾錯結構,且糾錯效率、保真度以及量子比特壽命都將隨之提升。

正確率提升

在量子計算測試中,祖沖之三號和Willow都實現(xiàn)了高保真度。

祖沖之三號單比特門、雙比特門和讀出保真度分別為 99.90%、99.62% 和 99.18%。

在量子糾錯測試中,谷歌Willow單比特門、雙比特門、讀取錯誤率的中位數(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基準測試中的單比特門、雙比特門、讀取錯誤率中位數(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,指代的是在量子計算中,對于單個或多個量子比特進行同時操作以及整體讀取時的正確率。保真度越高,對量子比特的操控和讀取就越準確。

相干時間延長

另一個重要進展是相干時間的延長。祖沖之三號的能量弛豫時間(T1)和相位弛豫時間(T2)分別提升至72μs和58μs。Willow的T1時間提升至100μs,是上一代懸鈴木處理器的5倍。

相干時間是比特能夠維持量子狀態(tài)的時間,相干時間結束后,量子比特會坍縮,無法再執(zhí)行計算。更長的相干時間意味著量子能夠維持更長時間的疊加態(tài),完成更多計算。

據(jù)國儀量子介紹,T1時間和T2時間是相干時間的兩個主要參數(shù)。T1時間是量子比特從高能態(tài)(激發(fā)態(tài))返回到低能態(tài)的時間,類比經(jīng)典計算就是經(jīng)典比特從1變回0的時間;T2時間是量子比特在疊加態(tài)中保持相位信息的時間,T2時間結束后,量子比特會丟失所攜帶的信息。較長的T1和T2時間,使量子比特可以在較長時間內保持穩(wěn)定的狀態(tài),從而提高計算的準確性和可靠性。

更強的處理能力

基于量子比特規(guī)模的增加、操作保真度的提升、相干時間的延長以及工藝技術的改善,Willow和祖沖之三號在隨機電路采樣(RCS)基準測試中,都展現(xiàn)出較上一代量子處理器的更好成績,進一步展現(xiàn)了量子計算優(yōu)越性。

Willow在5分鐘內,完成了當前最強大的超級計算機需要10的25次方年(比宇宙年齡還長)才能完成的計算任務。

祖沖之三號在幾百秒內實現(xiàn)了對100 萬個樣本的采樣,同等任務需要經(jīng)典超級計算機Frontier大約 6.4×10的9次方年才能復制,經(jīng)典模擬成本(經(jīng)典計算機模擬該任務的成本)較谷歌的 SYC-67 和 SYC-70 實驗提升了6個數(shù)量級,樹立了量子計算優(yōu)勢的新基準。

2025年被寄予厚望

2025年,被聯(lián)合國定為“量子科學與技術之年”。產業(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)。按照量子計算路線圖,谷歌將在2025年之后實現(xiàn)其“6個里程碑”的第3個,即構建1000物理量子比特的量子計算機,并編碼一個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會將三個Kookaburra芯片接入一個包含4158量子比特的系統(tǒng)中。

在谷歌圍繞“具備糾錯能力的實用量子計算機”設計的路線圖中,每一個里程碑的實現(xiàn),都會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算的腳步,量子芯片或將迎來自己的“摩爾定律”。

“最重要的是如何基于現(xiàn)有的芯片技術、芯片產業(yè),去做好量子計算芯片在未來5到10年內的Scaling(擴展)。無論是把它的設計方案進一步精進,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現(xiàn)芯片的制備和表征;以及更好地實現(xiàn)封裝工藝或者更底層技術范式的革新?!眱ξ酿└嬖V《中國電子報》記者。

除了量子芯片,超導量子計算系統(tǒng)還包括低溫組件、包含稀釋制冷機的極低溫極低噪聲平臺、室溫端電子學測控系統(tǒng)、操控軟件及系統(tǒng)等。儲文皓表示,更大規(guī)模的稀釋制冷機、更低溫的射頻電子學設備和傳輸設備,以及更加高效智能的基礎軟件,將與量子芯片的迭代一起,推動量子計算的創(chuàng)新發(fā)展。

責任編輯:趙強

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