中国科大中科院量子信息与量子科技创新研究院（以下简称量子创新研究院）潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队，成功研制了62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。相关研究成果于2021年5月7日在线发表在国际学术期刊《科学》杂志上。
量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面（如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等）相比经典计算机实现指数级别的加速。当前，量子计算机研制作为世界科技前沿的重大挑战之一，已经成为欧美各发达国家竞相角逐的焦点。超导量子计算，作为最有希望实现可拓展量子计算的候选者之一，其核心目标是如何同步地增加所集成的量子比特数目以及提升超导量子比特性能，从而能够高精度相干操控更多的量子比特，实现对特定问题处理速度上的指数加速，并最终应用于实际问题中。
潘建伟、朱晓波、彭承志等长期瞄准超导量子计算的上述核心目标，取得了一系列重要进展。2019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％（phys. rev. lett. 122, 110501 (2019)），打破了之前创造的10个超导量子比特纠缠的纪录。同时，该团队开创性地将超导量子比特应用到量子行走的研究中,为未来多体物理现象的模拟以及利用量子行走进行通用量子计算的研究奠定了基础（science 364, 753 (2019)）。随后，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(phys. rev. lett. 123, 050502 (2019))。
近期，该团队在自主研制二维结构超导量子比特芯片的基础上，成功构建了国际上超导量子比特数目最多、包含62个比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并在该系统上成功进行了二维可编程量子行走的演示。研究团队在二维结构的超导量子比特芯片上，观察了单粒子及双粒子激发情形下的量子行走现象，实验研究了二维平面上量子信息传播速度，同时通过调制量子比特连接的拓扑结构的方式构建马赫-曾德尔干涉仪，实现了可编程的双粒子量子行走。该成果为在超导量子系统上实现量子优越性展示及可解决具有重大实用价值问题的量子计算研究奠定了技术基础。此外，基于“祖冲之号”量子计算原型机的二维可编程量子行走在量子搜索算法、通用量子计算等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。
图: 二维超导量子比特芯片示意图, 每个橘色十字代表一个量子比特。
上述项目受到了中国科学院、安徽省、科技部、上海市和基金委的支持。
论文链接：
（合肥微尺度物质科学国家研究中心、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）