IBM量子处理器19秒完成超算110年任务

近日，美国量子软件公司 BlueQubit 的研究团队利用 IBM 拥有 120 个可编程量子比特的 Nighthawk r2 量子处理器，在随机电路采样基准测试中仅用 19 秒生成 100 万个样本。

研究团队估算，若用美国 Frontier 超级计算机完成同等任务，需约 110 年。

相关研究论文已经已经发表在 arXiv 平台。

资料显示，Nighthawk r2 是 IBM 迄今速度最快的量子处理器，核心创新在于高速量子比特重置架构。

该处理器可执行每秒超过 10 万个电路，是 IBM Heron 处理器（约每秒 4,000 个电路）的 25 倍。

它拥有 120 个可编程量子比特、218 个耦合器和 120 个重置元件，总计 458 个物理量子元件。

由 BlueQubit 的理论物理学家 Tigran Sedrakyan 领衔的研究团队，从 Nighthawk r2 的 120 个量子比特中选用了 61 个，运行深度最高达 40 个 cycle 的随机电路。

在最关键的 36 cycle 配置下，电路包含 61 个量子比特和 918 个 CZ 门（双量子比特门）。

Nighthawk r2 在该配置下，于 19 秒的 QPU 运行时间内生成了 100 万个样本。

为估算经典计算机完成同等任务所需时间，研究团队采用了张量网络收缩方法。

他们估算，在给定保真度模型下，生成 100 万个具有相应保真度的样本需要约 1.2 × 10²⁷ 次机器运算。

将该计算量换算为 Frontier 超级计算机的持续性能（假设达到理论峰值性能的 20%），估算时间约为 108 年，四舍五入为 约 110 年。

研究团队在论文中声明，这是首次在商用且广泛可访问的量子处理器上，通过标准随机电路采样展示量子优势，且大多数非专业量子用户可较容易复现。

不过，需要指出的是，19 秒 vs 110 年 的比较仅针对随机电路采样这一特定基准测试，不代表量子计算机在所有任务上都快于经典计算机。

110 年是基于特定模拟方法和假设的估算值，并非 Frontier 实际运行测出的时间。

若经典算法改进，差距可能显著缩小。

这并非首次通过随机电路采样宣称量子优势。

2019 年，Google 宣布其 53 量子比特的 Sycamore 处理器在 200 秒内完成一项任务，当时估算经典超算需 1 万年。

但后续研究者开发出更高效的经典算法，大幅缩小了差距。

与 Google 当时使用专用设备不同，Nighthawk r2 通过标准 IBM 云服务即可访问，实验也未进行针对该基准的专用校准。

编辑：芯智讯-浪客剑

量子通信领域取得进展：科学家制造出90%相同的光子

来自巴塞尔大学、波鸿鲁尔大学和帕德博恩大学的研究人员联手在量子通信领域取得重大突破，生成了90%相同的光子对。

这些几乎不可区分的粒子可用于实现量子纠缠或量子干涉，而这些是量子通信所需的关键现象。

我们对量子物理的理解为计算和传感开辟了新前沿。

科学家正在研究不同材料，以在量子层面存储和处理信息，并使用了从囚禁离子到中性原子、从超导电路到光子等多种方法作为量子比特或量子位。

光子是最容易操作的信息载体之一。

然而，要将其用于量子通信，它们必须具有完全相同的性质，或者说彼此之间应当是“不可区分的”。

此前生成这些光子的尝试成果有限，因为这些光子要么失焦，要么只是暂时相关。

来自巴塞尔大学、波鸿鲁尔大学和帕德博恩大学研究人员的合作努力，借助半导体量子点解决了这一障碍。

利用双激子衰变 研究人员使用带有光学谐振器的半导体量子点，利用一种称为“双激子衰变”的过程来生成几乎不可区分的光子。

在这一过程中，由一个由两个束缚激子组成的分子发生衰变，并释放出一个激子和一个光子。

“量子点常被描述为半导体中的人工原子，可以生成单个光粒子，”帕德博恩大学功能光子结构教授斯特凡·舒马赫解释说。

“通过将其集成到专门的光学腔中——类似于激光器中的光学腔——本研究中的光发射过程被专门加速并受到控制。

” 激子由电子和电子空穴组成，在这一过程中，量子点被双重激发，随后这种激发发生衰变。

双激子级联因此会一个接一个地产生两个光子。

更重要的是，这些光子对可以像按键一样按需产生，这对于部署到新时代技术中很有用。

可调纯度 该团队进一步推进了巴塞尔大学实验凝聚态物理教授理查德·沃伯顿关于量子点与光学腔相互作用的研究。

虽然这项工作帮助在多个领域取得了突破性进展，但该合作研究团队利用双激子衰变科学，以受控方式促进其衰变。

这帮助研究人员实现了90%的不可区分性，相比此前实现的60%不可区分性有了重大提升。

更高的光子不可区分性意味着数据处理中的错误更少。

“结果与理论预测表现出极好的一致性，并为生成具有更高不可区分性的光子指明了道路，”沃伯顿在一份新闻稿中补充说。

“它们表明，双激子衰变能够产生非常高质量的光子——前提是系统通过腔得到适当控制。

” “我们发现，所生成光子的纯度也可以利用谐振器进行优化，并且只受半导体晶格振动（声子）的限制，”帕德博恩大学混合量子光子器件负责人克劳斯·约恩斯说，他也参与了这项工作。

“这种被称为‘腔馈入’的现象，必须在未来设计中加以考虑，然后可以系统地进一步最小化。

” 研究成果发表在《物理评论应用》杂志上。

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重大突破，量子操控深入原子核尺度！我国团队成功实现核光钟运行

相关成果7日在线发表于《自然》杂志。

该工作与欧洲团队同期完成，在国际上率先实现了钍-229核光钟的运行。

核光钟概念图。

研究团队供图 原子光钟利用原子中的电子跃迁获取时间基准，而核光钟利用钍-229原子核内部跃迁作为频率参考，受外界电磁环境扰动更小，原理上有望实现更高计时精度。

不仅如此，固态核光钟还具备潜在的小型化和工程化优势，有望为卫星导航、深空探测等场景中的高精度时间频率需求提供实用的技术选择，是当前量子精密测量领域国际竞争的重要前沿。

同时，核光钟可为检验基本物理规律提供新的精密探测平台，它的实现还意味着量子操控的能力深入到原子核尺度。

核光钟实验装置核心区域。

研究团队供图 然而，长期以来，核光钟研制面临两大难题：缺少148纳米连续波激光，以及钍-229核素稀缺。

该研究团队在国际上首次研制出148纳米连续波真空紫外激光，解决了精确驱动钍-229核跃迁的光源瓶颈。

面对核素受限难题，在多方协同攻关下，团队使用仅有的1.4微克钍-229一次性成功生长出毫米尺度的高质量掺钍氟化钙晶体，其单次生长所用核素仅约为欧洲团队的二百分之一。

团队完成了核跃迁光谱测量与频率闭环锁定，实现了从测量核跃迁到用核跃迁计时的关键跨越。

同时，团队实现的核光钟秒级稳定度优于同期欧洲团队近一个数量级。

据介绍，该成果构建起从光源、晶体、光谱测量到闭环运行的完整技术体系，是我国科学界具有标志性意义的重大突破。

版面阅读 来源：科技日报