|
來源：浙江大學 在人類探索未知的道路上，量子計算正在成為獨特而強大的工具。2021年12月，浙江大學杭州國際科創中心量子計算創新工坊首次發布“莫干1號”“天目1號”超導量子芯片學術成果。半年多時間過去，社會各界都在關注超導量子芯片到底可以用來干什么？ 2022年7月22日，浙江大學在杭州國際科創中心重磅發布“天目1號”超導量子芯片系列應用成果，用優異成績給出了回答。浙江大學物理學院教授、杭州國際科創中心量子計算創新工坊首席科學家朱詩堯院士表示，科技發展就像跑步，不僅要跑得快，還希望更多人加入跑步隊伍，凝心聚力讓我國量子計算跑出更好成績。 依托量子計算創新工坊自研的“天目1號”超導量子芯片，浙江大學物理學院王震、王浩華研究組與清華大學交叉信息研究院鄧東靈研究組等合作，在超導量子芯片上首次采用全數字化量子模擬方式展示了一種全新的物質——拓撲時間晶體，解開了世界科學家都高度關注的科學問題，該成果已于近日亮相《自然》（Nature）雜志。 與此同時，浙江大學計算機科學與技術學院尹建偉團隊開發了首個面向用戶的、支持多量子計算機并行調度的超導量子計算云平臺——“太元一號”，該平臺利用可視化的編程環境，降低量子計算機的使用門檻，可遠程訪問“天目1號”量子芯片，為量子計算機在多行業的廣泛應用打下堅實基礎。 全數字化模擬！ 尋找神奇的拓撲時間晶體 什么是時間晶體？這個構想是2012年諾貝爾物理學獎獲得者、麻省理工學院教授Frank Wilczek最早提出的：我們日常熟悉的晶體，比如食鹽、礦石等，構成它們的原子在空間排列上是呈一定的周期性變化的；而時間晶體試圖把“晶體”的特征拓展到時間維度，它在時間上也呈現一定的周期性變化。 “常規的時間晶體已在某些實驗平臺中實現，我們想做別人沒有做過的。”論文通訊作者之一、浙江大學研究員王震介紹道，2年前偶然得知清華大學的鄧東靈老師想做“拓撲時間晶體”，他們覺得很有吸引力并與之開展合作，依托浙江大學的超導量子計算平臺進行探索，嘗試在“天目1號”超導量子芯片上創造這類全新的時間晶體。 目前，該成果研究論文Digital quantum simulation of Floquet symmetry-protected topological phases（數字化量子模擬Floquet對稱保護拓撲相）已在國際頂尖期刊《自然》（Nature）雜志發表，論文第一單位為浙江大學物理學院和杭州國際科創中心。 王震介紹，量子計算是通過在量子比特上執行邏輯操作，也就是量子門實現的。不同量子門組合成不同的算法“積木”，用于搭建科學家心目中的“建筑”。浙大研究團隊就在傾心打造通用性更高的量子“積木”。“當要解決具體的問題時，只需要調用組合不同的‘積木’，而不需要更換芯片。” 論文共同第一作者，浙大物理學院的博士生張敘和鄧金鳳認為，數字化量子模擬是一條通往通用量子計算的必經之路。 在評估了清華大學鄧東靈研究組提出的精妙構思后，浙大研究團隊首次嘗試了“全數字化量子模擬”的實驗方案，使用超導量子芯片（“天目1號”）上的26量子比特，通過深度高達240層的量子門線路實現了鄧東靈老師所設想的全新的時間晶體。 這是比“類比量子模擬”通用性更強的實驗方案，使用超導量子芯片具有更高的編程靈活度，以及更高的量子門精度，以執行更多種類的量子算法。通過全數字化量子模擬，研究團隊首次成功模擬了一個26個“準粒子”組成的鏈狀拓撲時間晶體，通過調制系統擾動，實驗成功刻畫該拓撲相與平庸熱化相的邊界。這就有點類似于一排小朋友聽著耳機轉圈圈，即使音樂的節奏變了，仍可以觀察到一頭一尾兩個小朋友存在穩定的 “默契”，周期性地呈現某種呼應。 這一研究的成果，不僅表明了超導量子芯片上使用數字化量子模擬可以制備拓撲時間晶體，更表明了這種方法有望被用于探索更多的物理學前沿問題。 更加精準！更好操作！ 太元一號量子云平臺亮相 當前，受到摩爾定律限制，經典計算機的性能發展正面臨著重大瓶頸。量子計算可提供強大算力，具有超越經典計算機的巨大潛力，有望在網絡通信、生物醫藥、金融應用、氣象預測等領域，解決一些經典計算無法解決的任務。 但是現有量子計算機存在的應用難點，又讓不少使用者望而卻步：一是量子比特數受限，現有量子計算可解決的問題規模小，量子芯片門保真度低，計算結果不夠準確；二是用戶學習成本高，量子計算涉及到量子力學、數理邏輯、計算機科學等復雜的理論知識，使得學習和開發量子算法的門檻很高；三是量子計算機價格昂貴，難以惠及廣大科研人員，僅制造一臺量子計算機就需要至少千萬級別的硬件成本，更不用說后期系統維護的不菲費用了。 針對這些難點，浙江大學計算機科學與技術學院聯合量子計算創新工坊，基于自研的“天目1號”超導量子芯片，共同開發了首個面向用戶的、支持多量子計算機并行調度的超導量子計算云平臺——“太元一號”量子云平臺（又名：JanusQ Cloud），讓更多的社會公眾體驗量子計算成為可能。 太元團隊的百人計劃研究員，盧麗強介紹道，太元量子云平臺擁有三大亮點。亮點一是基于“天目1號”芯片，開發了面向用戶的、支持多量子計算機并行的作業調度方案，提升可用量子比特的規模。目前，國內外已開放的量子云平臺僅支持對單個量子芯片進行任務調度使用，尚未高效實現并行的量子計算機調度方式。在太元量子云平臺中，用戶可同時調用多個量子芯片，將特定應用中可拆解的復雜計算問題并行地部署在量子計算機上，從而提升可用量子比特的數量，提高量子計算的效率。 亮點二是友好的編程環境。量子編程需要用戶對量子計算有一定了解，為了降低非專業用戶的量子計算開發門檻，提高量子程序的可理解性，太元量子云平臺自研了交互式可視化編程框架。太元云平臺的主要開發者，譚思危博士表示，太元云平臺向用戶可視化地展示量子電路編譯和量子計算結果，操作更加便捷智能，而這也是首個將量子計算過程可視化的編程框架。 亮點三是云平臺開放接口。為了拓寬應用領域，太元量子云平臺提供上層接口，支持用戶自定義構建各類領域的量子算法應用，通過遠程訪問即可使用量子計算機進行計算。太元團隊的尚永衡研究員還介紹道，該云平臺搭建了用戶交流社區，為更多領域研究者探索量子優勢提供資源，為打造開放共享的量子科研生態提供有力支撐。 科研人員表示，希望通過太元量子云平臺的建設，能夠積極推進“量子+”交叉學科領域研究，加速量子計算從基礎研究到產業應用，從而推動量子計算產業蓬勃發展。 |
