Science | 中國學者量子計算新進展：20個超導量子比特的薛定諤貓糾纏
20比特量子芯片示意圖
撰文 | 周煒
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近日，浙江大學、中科院物理所、中科院自動化所、北京計算科學研究中心等國內單位組成的團隊通力合作，開發(fā)出具有20個超導量子比特的量子芯片，并成功操控其實現(xiàn)全局糾纏，刷新了固態(tài)量子器件中生成糾纏態(tài)的量子比特數(shù)目的世界記錄。這一進展今天發(fā)表于美國《科學》雜志。
多比特量子糾纏態(tài)的實驗制備是衡量量子計算平臺控制能力的關鍵標志，國際競爭尤為激烈。經(jīng)過近兩年時間的器件設計與制備、實驗測控及數(shù)據(jù)處理，由中國學者組成的聯(lián)合團隊成功將糾纏的比特數(shù)目推進到20。
浙大物理系博士生宋超、中科院物理所許凱副研究員和博士生李賀康為論文共同第一作者。中科院物理所范桁研究員、鄭東寧研究員和浙大王浩華教授為共同通訊。
“搖籃”中的量子計算機
關于量子計算機的夢想始于上世紀80年代。1982年，著名物理學家費曼提出設想：既然自然的本質是量子的，我們能否造出一臺遵循量子規(guī)律的計算機，去更好的認識量子世界？人們意識到，量子計算機的技術一旦成熟，它的運算能力將遠遠超越經(jīng)典計算機。
計算機使用“0”和“1”進行信息存儲與處理。在經(jīng)典計算機里，一個比特就如一個普通開關，或0或1。量子計算機則完全不同，由于量子糾纏與疊加，一個“量子開關”可以同時代表0和1，我們稱之為量子比特。想象一下，一枚擺在桌上靜止的硬幣，你只能看到它的正面或背面；當你把它快速旋轉起來，你看到的既是正面，又是背面。于是，一臺量子計算機就像許多硬幣同時翩翩起舞。
量子比特數(shù)，是衡量量子計算機性能的重要指標之一。通過量子糾纏與疊加，n個量子比特相互關聯(lián)，可以生成2n種狀態(tài)。也就是說，一個含有n個比特的經(jīng)典存儲器可以存儲2n個可能數(shù)據(jù)當中的任意一個，如果它是量子存儲器，則可以同時存儲2n個數(shù)。相當于2n個經(jīng)典計算機的CPU同時工作。每增加一個量子比特，量子計算機的運算能力將以指數(shù)倍增加。有報道指出，一臺30個量子比特的量子計算機的計算能力和一臺每秒萬億次浮點運算的經(jīng)典計算機水平相當，是今天經(jīng)典臺式機速度的一萬倍。人們相信，一旦量子比特數(shù)達到50以上，它就能在處理某些特定問題時展現(xiàn)超越超級計算機的運算能力。
人類差不多用了70年的時間，見證了經(jīng)典計算機從笨重又不穩(wěn)定、動輒占據(jù)整個實驗室、渾身布滿機械閥門的機器發(fā)展到便攜的個人電腦、智能手機的進步；但還有許多經(jīng)典計算機很難甚至無法完成的運算，量子計算機則可以勝任。我們完全有理由期待，在未來幾十年內，量子計算機能從理論走向應用，完成經(jīng)典計算機無法解決的大規(guī)模計算難題，在密碼破解、藥物設計、人工智能等領域大顯身手。
然而，在澎湃的想象面前，實驗室中的原型機仍像搖籃中的嬰兒，到其長大成人發(fā)揮作用還需有漫長不懈怠的培養(yǎng)過程。近年來，不論是單個量子比特的相干性、量子門的保真度，還是量子芯片的集成度、全局糾纏態(tài)的制備規(guī)模，都在穩(wěn)步提升。此前，中國科技大學的研究團隊創(chuàng)造了操縱12個超導量子比特實現(xiàn)糾纏的記錄。如今，這個數(shù)字被刷新，人類能夠同時精確操控20個超導量子比特進行工作。
20個人造原子的“薛定諤貓”
在浙江大學一幢教學樓里，狹長的過道深處就是浙江大學超導量子計算和量子模擬團隊的實驗室，超導量子比特芯片設計、平臺搭建、測控工作都在這里完成。拔地而起的鋼架，錯綜復雜的管線、密集疊放的電路板、嗡嗡作響的制冷機……博士生宋超介紹道，這整個房間就是一臺量子計算機，它的“大腦”就在一個直徑80公分的圓柱形大“冰箱”的底部。
借助于顯微鏡，這1平方厘米的“大腦”——超導量子比特芯片露出真容。20個量子比特，均勻分布于中心諧振腔的周邊，猶如由中心樞紐貫通的各個支路。“這是我們實驗室迭代的第四代電路設計方案，目標是讓任意兩個量子比特之間都能進行直接‘溝通’，實現(xiàn)全局糾纏?！毙酒脑O計者之一，本科生張敘說。這樣的芯片則是由中科院物理所李賀康博士制備的，他在近期作為博士后加盟浙大，有望在浙大微納加工中心做出更復雜的芯片。
全局糾纏，通俗的理解就是讓所有量子比特協(xié)同起來參與工作。量子操縱是量子計算的技術制高點，而實現(xiàn)全局糾纏是檢驗操縱是否成功的標志?！澳軌蚍浅８呔鹊夭倏厮麄?，然后同時還能保持質量穩(wěn)定，這是一項難度極大的挑戰(zhàn)?！痹S凱介紹說。許凱6年前到浙大讀研開始涉足超導量子計算領域，去年獲得博士學位并加盟中科院物理所開始組建自己的實驗室。
論文的兩位共同一作宋超和許凱在量子計算實驗平臺邊討論
實驗團隊利用這一芯片生成并標定了18比特的全局糾纏的GHZ態(tài)，以及20比特的薛定諤貓態(tài)。“我們確實看到了在經(jīng)驗世界中看不到的現(xiàn)象，用更形象就是——一只由20個人造原子構成的‘貓’，薛定諤貓態(tài)?！彼纬f。
在實驗控制條件下，20個人造原子集體從零時刻起跑后的相干演化動態(tài)過程的捕捉。不到200納秒的過程中，人造原子的集體狀態(tài)歷經(jīng)多次變身，在不同時間點出現(xiàn)有不同組份數(shù)（對應球中紅色圈的數(shù)量）的薛定諤貓態(tài)，最終形成2組份（同時存在兩種相反狀態(tài)）的薛定諤貓態(tài)。A和B圖分別為理論預測和實驗觀察結果。C圖為根據(jù)建議在新視角下對5組份薛定諤貓態(tài)的重新描繪，球中藍色區(qū)域的出現(xiàn)更有力地證明了量子糾纏的存在。
在短短187納秒之內（僅為人眨一下眼所需時間的百萬分之一），20個人造原子從“起跑”時的相干態(tài)，歷經(jīng)多次變身，最終形成同時存在兩種相反狀態(tài)的糾纏態(tài)。論文標題中，團隊用了“薛定諤貓態(tài)”來描述捕捉到的現(xiàn)象。操控這些量子比特生成全局糾纏態(tài)，標志著團隊能夠真正調動起這些量子比特。
正是這“璀璨”的187納秒，見證了人類在量子計算的研究道路上又邁進了一步。
第一梯隊
量子計算機的研發(fā)是國際科技競爭的熱點領域。谷歌、IBM、微軟、英特爾、華為、阿里等高科技公司都為此投入大量研究力量。當前，實現(xiàn)量子計算的物理體系主要有光學系統(tǒng)、離子阱和量子點等微觀體系，基于宏觀約瑟夫森效應的超導電路由于其在可操控性和可擴展性等方面的優(yōu)勢，是目前國際上公認的有希望實現(xiàn)量子計算的幾個物理載體之一。
近年來，浙江大學物理系的超導量子計算和量子模擬團隊一直致力于超導量子計算和量子模擬的實驗研究。2017年，團隊與中科大潘建偉和朱曉波團隊、中科院物理所鄭東寧團隊、福州大學鄭仕標教授等合作10比特超導量子芯片，實現(xiàn)了當時世界上最大數(shù)目的10個超導量子比特的糾纏，打破了之前由谷歌和加州大學圣塔芭芭拉分校保持的記錄，使得我國在量子計算機研究領域進入國際第一梯隊。
“與世界上其他的超導量子芯片相比，我們研發(fā)的芯片擁有一個顯著特點，那就時所有比特之間都能夠進行相互連接，這能夠提升量子芯片的運行效率，也是我們能夠率先實現(xiàn)20比特糾纏的重要原因之一?！痹S凱總結道。
據(jù)介紹，該工作最早于5月1日公布于預印本網(wǎng)站（arXiv:1905.00320）。第二天，團隊就收到了一封來自英國教授的郵件，對實驗結果表示了贊賞?！八谛胖刑峁┝撕芎玫难芯拷ㄗh，我們用他的方法補充了實驗，更加充分地驗證了我們的研究成果。”宋超說，在《科學》雜志的論文中，研究團隊特意致謝了這位素未謀面的英國教授。
5月14日，美國IBM超導量子計算團隊（arXiv:1905.05720）和哈佛大學里德堡原子團隊（arXiv:1905.05721）也在預印本網(wǎng)站公布了類似的實驗結果。三個工作報道的糾纏比特數(shù)目基本持平，反映了以糾纏態(tài)制備為代表的多量子比特相干操控是目前努力的主要方向。
