蒿杰團(tuán)隊(duì)實(shí)感計(jì)算架構(gòu)助力20超導(dǎo)量子比特薛定諤貓態(tài)制備
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超導(dǎo)量子計(jì)算平臺(tái)可集成多個(gè)量子比特，相干時(shí)間長(zhǎng)、操控和讀出精度高，是實(shí)用化、可擴(kuò)展量子計(jì)算主要技術(shù)路線之一。衡量量子計(jì)算平臺(tái)性能的一個(gè)標(biāo)志性成果是多量子比特糾纏態(tài)的制備，特別是Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)尤為激烈。近日，由浙江大學(xué)、中科院物理研究所、中科院自動(dòng)化所、北京計(jì)算科學(xué)研究中心等國(guó)內(nèi)單位組成的團(tuán)隊(duì)，在超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)取得重要進(jìn)展。
中科院自動(dòng)化所蒿杰研究員、馮卉助理研究員與浙江大學(xué)博士生宋超、王浩華教授、王大偉教授、朱詩(shī)堯院士，以及中科院物理所范桁研究員、鄭東寧研究員、許凱副研究員、博士生李賀康（現(xiàn)浙江大學(xué)博士后）、張煜然博士（現(xiàn)北京計(jì)算科學(xué)研究中心博士后）等通力合作，經(jīng)過(guò)近兩年時(shí)間的器件設(shè)計(jì)與制備、實(shí)驗(yàn)測(cè)控運(yùn)行及數(shù)據(jù)處理，成功將全局量子糾纏的量子比特?cái)?shù)目推進(jìn)到20個(gè)，特別是實(shí)現(xiàn)了18個(gè)量子比特GHZ態(tài)制備，其保真度超過(guò)GHZ多體真糾纏的判據(jù)閾值，并首次展示了20量子比特5組分薛定諤貓態(tài)。 這一成果將固態(tài)系統(tǒng)GHZ態(tài)糾纏量子比特?cái)?shù)世界紀(jì)錄從10個(gè)推進(jìn)到18個(gè)，成果已于8月9日在國(guó)際學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)》發(fā)表（Science 365, 574-577 (2019)）。
實(shí)感計(jì)算架構(gòu)通過(guò)低延時(shí)感算控一體化設(shè)計(jì)，具有實(shí)時(shí)感知、計(jì)算、操控能力強(qiáng)以及易擴(kuò)展性、低功耗的特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于射電大科學(xué)裝置、邊緣計(jì)算、全腦區(qū)活體光學(xué)實(shí)時(shí)成像與操控等高通量、低延時(shí)、快迭代計(jì)算場(chǎng)景。
使用該架構(gòu)在超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子比特的高精度控制、量子態(tài)的讀取及解析等關(guān)鍵任務(wù)。對(duì)量子比特的控制需要可調(diào)控每一個(gè)量子比特的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)以及頻率調(diào)制。通過(guò)高精度實(shí)時(shí)控制輸出信號(hào)的波形包絡(luò)、偏置波形的頻率以及信號(hào)通斷等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)量子比特的精確調(diào)控。通過(guò)高速采集可對(duì)多個(gè)量子比特狀態(tài)進(jìn)行同時(shí)讀取，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)分析得到各量子比特的狀態(tài)信息。實(shí)感計(jì)算架構(gòu)的高通量信號(hào)注入能力使得測(cè)控系統(tǒng)對(duì)量子比特的調(diào)控更加精確，提高了量子門的操控精度，降低量子門出錯(cuò)率，有助于實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)計(jì)算。由于整體的低功耗設(shè)計(jì)保證了較低的熱噪聲水平，減小了量子比特能量抖動(dòng)，有利于延長(zhǎng)量子比特的相干時(shí)間，防止其快速衰退為經(jīng)典態(tài)，從而影響超導(dǎo)量子比特的計(jì)算能力。同時(shí)，該架構(gòu)有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，后續(xù)可以實(shí)現(xiàn)更多量子比特的控制。
由于量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大能力，使它有可能快速完成某些經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的計(jì)算，使其在新藥研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)安全、金融服務(wù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。Dario Gil(Director of IBM Research)在文章中甚至提到“隨著人工智能問(wèn)題復(fù)雜性的增加，量子計(jì)算——數(shù)千家企業(yè)已經(jīng)通過(guò)IBM的云量子計(jì)算服務(wù)訪問(wèn)——可能會(huì)改變我們處理AI計(jì)算任務(wù)的方式?！?nbsp;
此工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(No. 2017YFA0304300，No. 2016YFA0300600), 自然科學(xué)基金(No. 11725419，No. 11434008)及中科院先導(dǎo)專項(xiàng)(No. XDB28000000)等的支持。
論文鏈接：Science
注：本文轉(zhuǎn)載自中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所。
