“天目1号”超导量子芯片应用成果重磅发布

来源：浙江大学

在人类探索未知的道路上，量子计算正在成为独特而强大的工具。2021年12月，浙江大学杭州国际科创中心量子计算创新工坊首次发布“莫干1号”“天目1号”超导量子芯片学术成果。半年多时间过去，社会各界都在关注超导量子芯片到底可以用来干什么？

2022年7月22日，浙江大学在杭州国际科创中心重磅发布“天目1号”超导量子芯片系列应用成果，用优异成绩给出了回答。浙江大学物理学院教授、杭州国际科创中心量子计算创新工坊首席科学家朱诗尧院士表示，科技发展就像跑步，不仅要跑得快，还希望更多人加入跑步队伍，凝心聚力让我国量子计算跑出更好成绩。

依托量子计算创新工坊自研的“天目1号”超导量子芯片，浙江大学物理学院王震、王浩华研究组与清华大学交叉信息研究院邓东灵研究组等合作，在超导量子芯片上首次采用全数字化量子模拟方式展示了一种全新的物质——拓扑时间晶体，解开了世界科学家都高度关注的科学问题，该成果已于近日亮相《自然》（Nature）杂志。

与此同时，浙江大学计算机科学与技术学院尹建伟团队开发了首个面向用户的、支持多量子计算机并行调度的超导量子计算云平台——“太元一号”，该平台利用可视化的编程环境，降低量子计算机的使用门槛，可远程访问“天目1号”量子芯片，为量子计算机在多行业的广泛应用打下坚实基础。

全数字化模拟！
寻找神奇的拓扑时间晶体

什么是时间晶体？这个构想是2012年诺贝尔物理学奖获得者、麻省理工学院教授Frank Wilczek最早提出的：我们日常熟悉的晶体，比如食盐、矿石等，构成它们的原子在空间排列上是呈一定的周期性变化的；而时间晶体试图把“晶体”的特征拓展到时间维度，它在时间上也呈现一定的周期性变化。

“常规的时间晶体已在某些实验平台中实现，我们想做别人没有做过的。”论文通讯作者之一、浙江大学研究员王震介绍道，2年前偶然得知清华大学的邓东灵老师想做“拓扑时间晶体”，他们觉得很有吸引力并与之开展合作，依托浙江大学的超导量子计算平台进行探索，尝试在“天目1号”超导量子芯片上创造这类全新的时间晶体。

目前，该成果研究论文Digital quantum simulation of Floquet symmetry-protected topological phases（数字化量子模拟Floquet对称保护拓扑相）已在国际顶尖期刊《自然》（Nature）杂志发表，论文第一单位为浙江大学物理学院和杭州国际科创中心。

王震介绍，量子计算是通过在量子比特上执行逻辑操作，也就是量子门实现的。不同量子门组合成不同的算法“积木”，用于搭建科学家心目中的“建筑”。浙大研究团队就在倾心打造通用性更高的量子“积木”。“当要解决具体的问题时，只需要调用组合不同的‘积木’，而不需要更换芯片。” 论文共同第一作者，浙大物理学院的博士生张叙和邓金凤认为，数字化量子模拟是一条通往通用量子计算的必经之路。

在评估了清华大学邓东灵研究组提出的精妙构思后，浙大研究团队首次尝试了“全数字化量子模拟”的实验方案，使用超导量子芯片（“天目1号”）上的26量子比特，通过深度高达240层的量子门线路实现了邓东灵老师所设想的全新的时间晶体。

这是比“类比量子模拟”通用性更强的实验方案，使用超导量子芯片具有更高的编程灵活度，以及更高的量子门精度，以执行更多种类的量子算法。通过全数字化量子模拟，研究团队首次成功模拟了一个26个“准粒子”组成的链状拓扑时间晶体，通过调制系统扰动，实验成功刻画该拓扑相与平庸热化相的边界。这就有点类似于一排小朋友听着耳机转圈圈，即使音乐的节奏变了，仍可以观察到一头一尾两个小朋友存在稳定的 “默契”，周期性地呈现某种呼应。

这一研究的成果，不仅表明了超导量子芯片上使用数字化量子模拟可以制备拓扑时间晶体，更表明了这种方法有望被用于探索更多的物理学前沿问题。

更加精准！更好操作！
太元一号量子云平台亮相

当前，受到摩尔定律限制，经典计算机的性能发展正面临着重大瓶颈。量子计算可提供强大算力，具有超越经典计算机的巨大潜力，有望在网络通信、生物医药、金融应用、气象预测等领域，解决一些经典计算无法解决的任务。

但是现有量子计算机存在的应用难点，又让不少使用者望而却步：一是量子比特数受限，现有量子计算可解决的问题规模小，量子芯片门保真度低，计算结果不够准确；二是用户学习成本高，量子计算涉及到量子力学、数理逻辑、计算机科学等复杂的理论知识，使得学习和开发量子算法的门槛很高；三是量子计算机价格昂贵，难以惠及广大科研人员，仅制造一台量子计算机就需要至少千万级别的硬件成本，更不用说后期系统维护的不菲费用了。

针对这些难点，浙江大学计算机科学与技术学院联合量子计算创新工坊，基于自研的“天目1号”超导量子芯片，共同开发了首个面向用户的、支持多量子计算机并行调度的超导量子计算云平台——“太元一号”量子云平台（又名：JanusQ Cloud），让更多的社会公众体验量子计算成为可能。

太元团队的百人计划研究员，卢丽强介绍道，太元量子云平台拥有三大亮点。亮点一是基于“天目1号”芯片，开发了面向用户的、支持多量子计算机并行的作业调度方案，提升可用量子比特的规模。目前，国内外已开放的量子云平台仅支持对单个量子芯片进行任务调度使用，尚未高效实现并行的量子计算机调度方式。在太元量子云平台中，用户可同时调用多个量子芯片，将特定应用中可拆解的复杂计算问题并行地部署在量子计算机上，从而提升可用量子比特的数量，提高量子计算的效率。

亮点二是友好的编程环境。量子编程需要用户对量子计算有一定了解，为了降低非专业用户的量子计算开发门槛，提高量子程序的可理解性，太元量子云平台自研了交互式可视化编程框架。太元云平台的主要开发者，谭思危博士表示，太元云平台向用户可视化地展示量子电路编译和量子计算结果，操作更加便捷智能，而这也是首个将量子计算过程可视化的编程框架。

亮点三是云平台开放接口。为了拓宽应用领域，太元量子云平台提供上层接口，支持用户自定义构建各类领域的量子算法应用，通过远程访问即可使用量子计算机进行计算。太元团队的尚永衡研究员还介绍道，该云平台搭建了用户交流社区，为更多领域研究者探索量子优势提供资源，为打造开放共享的量子科研生态提供有力支撑。

科研人员表示，希望通过太元量子云平台的建设，能够积极推进“量子+”交叉学科领域研究，加速量子计算从基础研究到产业应用，从而推动量子计算产业蓬勃发展。

关于我们

《半导体芯科技》（Silicon Semiconductor China, SiSC）是面向中国半导体行业的专业媒体，已获得全球知名杂志《Silicon Semiconductor》的独家授权；本刊针对中国半导体市场特点遴选相关优秀文章翻译，并汇集编辑征稿、国内外半导体行业新闻、深度分析和权威评论、产品聚焦等多方面内容。由雅时国际商讯（ACT International）以简体中文出版、双月刊发行一年6期。每期纸质书12,235册，电子书发行15,749，内容覆盖半导体制造工艺技术、封装、设备、材料、测试、MEMS、IC设计、制造等。每年主办线上/线下 CHIP China晶芯研讨会，搭建业界技术的有效交流平台。