多年前，祖冲之将“圆周率”精算到3.和3.之间。
多年后，新“祖冲之”不仅是目前国际上超导量子比特数最多的量子计算原型机，还在此基础上完成了可编程的二维量子行走。
今天的这位“祖冲之”是由中科大潘建伟团队研制的量子计算原型机。与千年前中国科学家在圆周率上的领先一样，“祖冲之号”再次让中国走在了量子计算机的前沿。
一步一个台阶
量子计算机是全球科技前沿的重大挑战之一，也是世界各国角逐的焦点。超导量子计算已成为最具希望的候选者之一，它的核心目标是增加“可操纵”的量子比特数量，通过提升操纵精度来实现落地应用。
潘建伟团队长期瞄准超导量子计算的核心目标，取得了一系列重要进展。年初，在一维链结构12比特超导量子芯片上实现了12个量子比特纠缠“簇态”的制备，保真度达到70％，打破了之前创造的10个超导量子比特纠缠的纪录。
随后，科研团队将芯片结构从一维扩展到准二维，制备出包含24个比特的高性能超导量子处理器，并首次在固态量子计算系统中，实现了超过20比特的高精度量子相干调控。
在自主研制二维结构超导量子比特芯片的基础上，包含62个比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”最终面世。
尚未实现“量子优越”
不过“祖冲之号”仍在科学实验阶段，仅演示了系统功能，尚未实现所谓的“量子优越”。研究团队共同通讯作者、中国科学技术大学上海研究院教授朱晓波表示，目前团队正在开展相关工作，以实现“量子优越性”。
年9月，美国谷歌公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学算法的计算只需秒，并宣称相较于当时世界最快的超级计算机“顶峰”实现了“量子优越性”。
一位量子计算领域专家表示：“‘祖冲之号’和‘悬铃木’都是使用了超导量子比特，但是‘祖冲之号’执行的任务是相对简单的，对于操纵精度等要求仍然低于‘悬铃木’。”
实现可编程二维量子行走
随机行走指行走者在特定路线或区域无规律移动，如扩散等物理现象，发生在经典物理体系中的称为经典随机行走。量子行走是经典随机行走在量子力学中的拓展，区别于经典随机行走，由于量子具有叠加态的特性，粒子在格点中行走的特性需要用量子力学的波函数统计规律来诠释。量子行走本身可以模拟多体物理体系的量子行为，理论上最终可用于通用量子计算。
早在年，潘建伟就联合中国科学院物理研究所范桁等理论小组，开创性地将超导量子比特应用到量子行走的研究中。在潘建伟团队此次的研究中，他们研制出了一个包含62个功能性量子比特的8x8二维方形超导量子比特阵列。
得益于量子计算原型机的高度可编程性，研究者通过调制量子比特连接的拓扑结构实现了一个马赫-曾德尔干涉仪，其中量子行走在干涉和射出之前沿两条路径运动，实现了可编程的双粒子量子行走。
量子计算机有几条路线？
量子计算机和我们现在所理解的“电脑”差别很大，首先两者的计算形式不一样，电脑通过电路的开和关进行计算，我们日常用的电脑，不管是屏幕上的图像还是输入的汉字，这些信息在硬件电路里都会转换成1和0，再进行传输、运算与存储。而量子计算机则以量子的状态作为计算形式。
目前的量子计算机使用的是如原子、离子、光子等物理系统，不同类型的量子计算机使用的是不同的粒子，比如在去年年底，我国研究团队成功研制出量子计算原型机“九章”，它就是光量子计算原型机。实验结果显示，“九章”处理特定问题的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，同时也等效地比谷歌此前发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍，成功实现了量子计算领域的第一个里程碑——量子计算优越性。
超导量子计算具备较好的工艺可扩展性，因此也被广泛认为是最有可能率先实现通用量子计算的方案之一。但量子计算技术还处于极早期阶段，尚不具备产业投资价值。目前的量子技术领域，有两个具有投资价值的成熟应用方向，一个是数据加密领域，另一个是传感和量子的精密测量。
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上观号作者：上海科技