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《中国科大展示复杂系统随机建模的信息存储量子优势》

  • 来源专题：量子信息科技
  • 编译者： 于杰平
  • 发布时间：2023-10-12

  •      2023年5月6日，中国科大郭光灿院士团队与曼彻斯特大学、南洋理工大学合作，利用量子技术在复杂系统随机建模中的信息存储方面取得重要进展。该团队李传锋教授和项国勇教授与合作者使用单个量子比特的内存实现的量子模型可以获得比相同内存维度的任何经典模型更高的精度。该研究成功展示了量子技术在复杂系统非马尔科夫过程建模中的存储优势。

         https://www.nature.com/articles/s41467-023-37555-0

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相关报告

  • 《 中国科大成功实现最大规模的51比特量子纠缠态制备》
    • 来源专题：量子信息科技
    • 编译者：于杰平
    • 发布时间：2023-10-12
    •      中国科学技术大学中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队与北京大学袁骁合作，成功实现了51个超导量子比特簇态制备和验证，刷新了所有量子系统中真纠缠比特数目的世界纪录，并首次实现了基于测量的变分量子算法的演示。该工作将各个量子系统中真纠缠比特数目的纪录由原先的24个大幅突破至51个，充分展示了超导量子计算体系优异的可扩展性，对于多体量子纠缠研究、大规模量子算法实现以及基于测量的量子计算具有重要意义。相关研究成果于7月12日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。   量子纠缠是量子力学中最神秘也是最基础的性质之一，同时也是量子信息处理的核心资源，是量子计算加速效应的根本来源之一。多年以来，实现大规模的多量子比特纠缠一直是各国科学家奋力追求的目标。自1998年人们首次利用核磁共振系统实现3比特GHZ态的制备开始，真多体纠缠态的制备成为包括光子、离子阱、NV色心、中性原子及超导量子比特等各种物理系统规模化扩展的重要表征手段。其中，超导量子比特具有规模化拓展的优势，在近年来发展迅速。我国科学家在超导量子比特多体纠缠制备方面取得了一系列重要成果，自2017年起先后完成了10比特、12比特、18比特的真纠缠态制备，不断刷新超导量子计算领域的纠缠比特数目纪录。   然而，更大规模的真纠缠态制备要求高连通性的量子系统、高保真的多比特量子门操作、以及高效准确的量子态保真度表征手段。高连通性保证了大规模量子态生成的可能性，避免了因缺陷和连通性不足限制量子态规模；通过高保真量子门才能够将量子比特连接起来形成高保真的多体量子纠缠态；而高效的量子态表征是克服随比特数指数级增长的量子态规模复杂度、进行量子态保真度准确估计的重要保证。这些要求对量子系统的性能、操控能力以及验证手段提出了很高的要求，使此前真纠缠比特的规模停留在约20个量子比特的水平。      研究团队在前期构建的“祖冲之二号”超导量子计算原型机的基础上，进一步将并行多比特量子门的保真度提高到99.05%、读取精度提高到95.09%，并结合研究团队所提出的大规模量子态保真度验证判定方案，成功实现了51比特簇态制备和验证。最终51比特一维簇态保真度达到0.637±0.030，超过0.5纠缠判定阈值13个标准差。这一结果将各个量子系统中真纠缠比特数目的纪录由原先的24个大幅突破至51个，充分展示了超导量子计算体系优异的可扩展性。在此基础上，研究团队通过结合基于测量的变分量子本征求解器，开展了对于小规模的扰动平面码的本征能量的求解，首次实现了基于测量的变分量子算法，为基于测量的量子计算方案走向实用奠定了基础。     论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06195-1
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  • 《中国科大实现“九章三号”光量子计算原型机》
    • 来源专题：量子信息科技
    • 编译者：于杰平
    • 发布时间：2023-10-12
    •  中国科学技术大学中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、陆朝阳、刘乃乐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”，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。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”提升一百万倍。“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）花费超过二百亿年的时间。这一成果进一步巩固了我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，可望通过特定量子算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面相比经典计算机实现指数级别的加速。因而，研制量子计算机是当前世界科技前沿的最大挑战之一。   为此，国际学术界制定了三步走的发展路线。其中，第一步是实现“量子计算优越性”，即通过对近百个量子比特的高精度量子调控，对特定问题的求解展现超级计算机无法比拟的算力，这标志着40年前 Feynman等人的梦想成为现实。“量子计算优越性”实验还可用于检验计算科学的“扩展的丘奇—图灵论题”。同时，在此过程中，发展出可扩展的量子调控技术，为具备容错能力的通用量子计算机的研制提供技术基础。   2019年，美国谷歌和加州大学发布了53比特“悬铃木”超导量子计算处理器，宣称用200秒求解的随机线路采样问题需要超级计算机一万年时间求解。然而，这一宣称随后受到了中国科学家的挑战，改进后的经典算法使得超算上的计算时间从一万年缩短到数十秒，快于“悬铃木”量子处理器。   2020年，中国科大团队成功构建76光子的“九章”光量子计算原型机[Science 370, 1460 (2020)]，首次在国际上实现光学体系的“量子计算优越性”，并克服了谷歌实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。2021年，中国科大团队进一步成功研制了113光子的可相位编程的“九章二号”[PRL 127, 180502 (2021)]和56比特的“祖冲之二号”量子计算原型机[PRL 127, 180501 (2021)]，使我国成为唯一在光学和超导两种技术路线都达到了“量子计算优越性”的国家。   在这个“量子计算优越性”战略高地，国际竞争呈现出白热化。位于加拿大多伦多的Xanadu公司与美国国家标准与技术研究院合作，采用与“九章”光量子计算原型机相同的高斯玻色取样路线，在2022年发布了216光子的“北极光”量子处理器，在国际上第二个实现了光学体系“量子计算优越性”。 中国科大团队在理论上首次发展了包含光子全同性的新理论模型，实现了更精确的理论与实验的吻合；同时，发展了完备的贝叶斯验证和关联函数验证，全面排除了所有已知的经典仿冒算法，为量子计算优越性提供了进一步数据支撑。在技术上，研制了基于光纤时间延迟环的超导纳米线探测器，把多光子态分束到不同空间模式并通过延时把空间转化为时间，实现了准光子数可分辨的探测系统。这一系列创新使得研究团队首次实现了对255个光子的操纵能力，极大地提升了光量子计算的复杂度，处理高斯玻色取样的速度比“九章二号”提升了一百万倍。在激烈的国际竞争角逐中，“九章三号”的实现进一步巩固了我国在光量子计算领域的国际领先地位。   进一步，在构建“九章”系列光量子计算原型机的基础上，中国科大研究团队揭示了高斯玻色取样和图论之间的数学联系，完成对稠密子图和Max-Haf两类具有实用价值的图论问题的求解，相比经典计算机精确模拟的速度快1.8亿倍[PRL 130, 190601 (2023)]。此外，又在国际上首次演示了无条件的多光子量子精密测量优势[PRL 130, 070801(2023)]。 量子计算优越性的研究是一个复杂而富有挑战性的工作，量子计算硬件与经典算法之间存在着长期竞争。研究人员期待这项工作一方面能够激发更多关于经典算法模拟的研究工作，另一方面有助于逐步解决量子计算研究中的各种科学和工程挑战。   上述项目受到了安徽省、上海市、科技部、中国科学院和基金委的支持。   论文链接：https://journals.aps.org/prl/issues/131/15       Gaussian Boson Sampling with Pseudo-Photon-Number-Resolving Detectors and Quantum Computational Advantage
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