中科院团队利用量子优势，解决经典计算无法完成的实际难题

近日，中科大潘建伟团队研制的“九章二号”量子计算机原型成功问世。 “九章二号”高斯玻色取样任务快速求解速度再次刷新了国际光量子操纵的技术水平。

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【中科院团队利用量子优势，解决经典计算无法完成的实际难题】图｜“九章二号”整体装置图（来源：中国科学院官网）
不得不说，量子计算的发展速度非常惊人。 2017年，超导量子比特的个数刚刚达到10个，操控水平也很有限。时至今日，业内已经可以制备和操控超过60个超导量子比特了。
据悉，中国科学院物理研究所范桁团队一直聚焦于“量子计算和量子模拟理论与实验”研究，主要关注各种量子现象并利用量子计算方法的模拟、各种量子算法的实现、量子逻辑门的物理实现和量子纠错码的实现等。

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图｜范桁（来源：中国科学院物理研究所官网）
最近，该团队首次在超导电路中实现了布洛赫波（Bloch）震荡，相关论文以《ObservationofBlochoscillationsandWannier-Starklocalizationonasuperconductingquantumprocessor》（超导量子处理器上的布洛赫振荡和瓦尼尔-斯塔克定位观察）为题发表在npjQuantumInformation上，由中国科学院物理所研究员范桁担任通讯作者[1] 。

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图｜相关论文（来源：npjQuantumInformation）
电子的Bloch震荡早在一个世纪之前，由著名物理学家布洛赫（Bloch）和齐纳（Zener）提出。由于传统固体材料的弛豫时间很短，该现象一直没有被实验观测到。
直到20世纪90年代，半导体超晶格的出现，物理学家才在该系统中首次观测到Bloch震荡。但是，半导体超晶格材料的弛豫时间也不足够长，因此不太方便用来进一步研究Bloch震荡。
近年来，随着人工量子多体系统的出现，例如冷原子气体、光晶格、离子井和超导电路等， Bloch震荡又开始被关注。这些人工量子系统的相干（弛豫）时间相当长，非常适合用来研究Bloch震荡。同时， Bloch震荡也能用于探测重力、研究能带等物理问题研究。
目前，该团队也首次在超导电路中实现了Bloch震荡，他们使用5量子比特（qubit）可编程超导处理器实验，模拟了布洛赫振荡（Blochoscillation ， BO）和瓦尼尔-斯塔克局域化（Wannier-Starklocalization ， WSL），通过精确调控每个超导量子比特，可以在一条自旋链上施加一个线性势场，并观测到自旋和能量输运均被抑制的现象。
量子计算和量子模拟有望解决量子计算、生物制药等领域难题
目前，量子计算和量子模拟实验还停留在有噪声的中等规模量子（noisyintermediate-scalequantum ， NISQ）系统阶段。
在这个阶段，量子比特数还不够多，操控精度也不足够高，并且没有量子纠错。所以，现在的量子计算和量子模拟研究还处于验证性阶段，主要以模拟“已知的物理系统”和验证“量子优越性”研究为主。

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图｜量子计算机（来源：Pixabay）
目前，学术界对量子计算的应用研究主要包括：
一、实现一些量子算法。例如Shor算法，从而破解公开密钥密码（RSA），对该团队现在所应用的密码系统将是一个重大的革新。其他方面，如Grove搜索算符和HHL解线性方程算法，可以极大地加速求解；
二、模拟大分子系统。从而服务于生物制药、材料科学等领域；