動(dòng)動(dòng)鼠標(biāo)就能操縱超導(dǎo)量子處理器？快來(lái)玩一把！
中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院和阿里云宣布，
他們上線了一臺(tái)11量子比特的超導(dǎo)量子處理器，并在這款處理器的基礎(chǔ)上開發(fā)了一個(gè)云服務(wù)系統(tǒng)。
http://quantumcomputer.ac.cn/index.html （請(qǐng)點(diǎn)擊文末的“閱讀原文”）
任何人，比如你和我，都可以訪問(wèn)這個(gè)云系統(tǒng)，然后按照自己的想法，對(duì)其中的11個(gè)量子比特執(zhí)行各種計(jì)算操作，也就是運(yùn)行自己的量子計(jì)算“程序”。
今天，我們就來(lái)嘮一嘮，這個(gè)超導(dǎo)量子處理器好不好玩，應(yīng)該怎么玩。
在開始玩之前，我們先來(lái)猜猜看，量子處理器應(yīng)該長(zhǎng)什么樣？雖然咱們都不會(huì)制造量子處理器，但是可以推想，量子處理器背后的規(guī)律是量子力學(xué)，量子力學(xué)是描述微觀世界的物理定律，所以，能夠用來(lái)造量子處理器的東西，恐怕是原子、光子、電子這樣的微觀粒子。
那么問(wèn)題來(lái)了，量子處理器是用幾個(gè)原子、光子、電子造的，你買回來(lái)敢往家里放嗎？萬(wàn)一找不到了你怨誰(shuí)？
就算你敢往家里放，你知道怎么用嗎？原子、光子、電子這玩意兒誰(shuí)會(huì)操縱？
萬(wàn)一有一天，你好不容易賣了腎，血拼回來(lái)一塊最新版硬件，打算升級(jí)一下原有設(shè)備，那么這兩堆原子應(yīng)該怎樣連起來(lái)？
這么一尋摸，感覺量子處理器就算造出來(lái)，咱們老百姓也沒(méi)法玩啊。難道科學(xué)家就不能造一臺(tái)長(zhǎng)得像計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)嗎？這次云系統(tǒng)用的量子處理器是用啥材料做的呢？
別著急，今天我給大家安利一款用宏觀材料制造、易上手、可擴(kuò)展的量子處理器——超導(dǎo)量子處理器。
一、量子處理器居然有電路圖？
超導(dǎo)量子處理器最好玩的地方，就是它真的很像經(jīng)典計(jì)算機(jī)的處理器（CPU）。
假如你拆開自己的手機(jī)或者電腦，會(huì)在電路板上看到啥？肯定會(huì)看到導(dǎo)線、電容、電感、電阻啦等等電子元件。如果你拿顯微鏡查看CPU的電路，還能看到二極管、三極管。
同樣的道理，如果你拆開超導(dǎo)量子處理器，就會(huì)看到類似這樣的一個(gè)電路圖，這不是別的，正是一個(gè)超導(dǎo)量子比特的電路圖。
如果你中學(xué)學(xué)過(guò)的知識(shí)沒(méi)忘，還記得怎么認(rèn)電子元件符號(hào)的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特的電路圖咋這么眼熟？這不就是電容嘛？
這不就是電感嘛？
這不就是接地嗎？
這么簡(jiǎn)單的電路就能產(chǎn)生量子比特？可不是咋的！你有沒(méi)有注意到，在這個(gè)簡(jiǎn)單的電路中，有一個(gè)經(jīng)典計(jì)算機(jī)電路圖里看不到的玩意兒，就是這兩個(gè)×：
這兩個(gè)×可不是畫錯(cuò)了，它就是曾經(jīng)獲得過(guò)1973年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的約瑟夫森結(jié)。正是因?yàn)橛辛诉@個(gè)結(jié)，看似不起眼的電路圖才能搖身一變，變成一個(gè)量子比特。那么，它到底是怎么變的呢？
二、有了結(jié)，咋就成了量子比特？
在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，我們用電路中電壓的大小來(lái)來(lái)表示經(jīng)典比特中的1和0。例如，有的芯片規(guī)定，正12V電壓表示比特1，負(fù)12V表示比特0。
同樣的道理，如果我們要用電子元件造量子比特，就得想辦法在電路中整出兩個(gè)不同的量子狀態(tài)來(lái)，一個(gè)狀態(tài)表示1，一個(gè)狀態(tài)表示0?？墒?，我們平時(shí)常用的電容、電感，都是線性元件。用它們搭一個(gè)電路，產(chǎn)生的量子狀態(tài)可不止兩個(gè)，而是一堆均勻的量子狀態(tài)。
通上電以后，系統(tǒng)很可能在不同的量子狀態(tài)上亂竄，你根本控制不了。
而且，只要有電路就會(huì)有電阻，你一通上電，它就會(huì)一邊計(jì)算一邊發(fā)熱一邊損耗能量。就算開始不亂套，算上一會(huì)兒它也會(huì)亂套。
在這種情況下， 科學(xué)家自然會(huì)想到，有沒(méi)有一種不會(huì)發(fā)熱，不會(huì)損耗能量的電子元件呢？而且，它還得是非線性的，能強(qiáng)行造出兩個(gè)特殊的量子狀態(tài)用來(lái)表示1和0？
世界上有一種電子元件滿足這些條件，那就是約瑟夫森結(jié)。
約瑟夫森結(jié)的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，就是在兩個(gè)超導(dǎo)體中間加一層薄薄的絕緣體（或者普通導(dǎo)體），比如圖中的鋁-氧化鋁-鋁（鋁需要在低溫下才能進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)）。
做成這種三明治以后，約瑟夫森結(jié)就會(huì)展現(xiàn)一種奇怪的非線性效應(yīng)。
什么叫非線性呢？讓我們先來(lái)看看線性是咋回事。
如果一個(gè)線性導(dǎo)體兩邊沒(méi)有電壓，就不會(huì)有電流通過(guò)。
如果在導(dǎo)體兩端加上一點(diǎn)兒電壓，其中就會(huì)有電流通過(guò)。而且電壓越大，電流也會(huì)越大，這就是線性。
約瑟夫森結(jié)根本不按套路出牌。你還沒(méi)給它加電壓，它就有電流了，而且是一種超導(dǎo)電流。
當(dāng)你在它的兩端加上一點(diǎn)兒電壓后，它的超導(dǎo)電流不會(huì)增大，而是會(huì)開始振蕩。
你加大電壓，它的超導(dǎo)電流既沒(méi)有變大，也沒(méi)有變小，而是會(huì)改變超導(dǎo)電流振蕩的相位。
你看，約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)電流根本不鳥電壓（在一定電壓范圍內(nèi)），只是振蕩的相位隨著電壓而變化，這樣的特性就是一種非線性。
在電路中加上約瑟夫森結(jié)以后，我們就利用它不按套路出牌的非線性效應(yīng)，在電路中制造出一組特殊的量子狀態(tài)。在這組量子狀態(tài)中，有兩個(gè)最低能量狀態(tài)離得特別近，非常適合用來(lái)表示量子比特1和0。
用約瑟夫森結(jié)搭建的超導(dǎo)量子電路的狀態(tài)，可不是一般的量子狀態(tài)，它還有一個(gè)朗朗上口的名字，叫作“宏觀量子狀態(tài)”。在我個(gè)人看來(lái)，它確實(shí)有點(diǎn)兒像劉慈欣科幻小說(shuō)中描述的“宏原子”。這就是它的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：宏觀（具體細(xì)節(jié)請(qǐng)看結(jié)尾注釋）。
并且，作為一個(gè)超導(dǎo)電子元件，雖然約瑟夫森結(jié)中需要加一層薄薄的絕緣體，但通上電并把溫度降低到絕對(duì)零度附近以后，它既不會(huì)發(fā)熱，也不會(huì)損耗能量。這是它的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)：不損耗能量。
為了實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，科學(xué)家通常要用稀釋制冷機(jī)把它降低到絕對(duì)零度之上0.01度左右（10mK），在這么低的溫度下，電路和環(huán)境中的噪聲很少，不容易讓計(jì)算出錯(cuò)。這是它的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：抗干擾。
想要操縱電路中的超導(dǎo)量子比特可比操縱原子簡(jiǎn)單多了，工程師用5GHz的微波就可以輕松地搞定，這就是它的第四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：易操縱。在量子比特之外加上一個(gè)特殊的振蕩電路，就可以讀取比特的狀態(tài)，這就是它的第五個(gè)優(yōu)點(diǎn)：易讀取。把幾個(gè)量子比特用超導(dǎo)電容連起來(lái)，這幾個(gè)量子比特就可以發(fā)生量子糾纏，這就是它的第六個(gè)優(yōu)點(diǎn)：易規(guī)?；?。
三、11量子比特的超導(dǎo)量子處理器
當(dāng)然，真正的11量子比特超導(dǎo)量子處理器不可能是熱狗三明治做的。它使用的超導(dǎo)材料是鋁，襯底是藍(lán)寶石（氧化鋁），約瑟夫森結(jié)采用的是鋁-氧化鋁-鋁結(jié)構(gòu)。
由于需要在絕對(duì)零度附近才能正常工作，平時(shí)這個(gè)處理器芯片都關(guān)在稀釋制冷機(jī)中。如果你去實(shí)驗(yàn)室參觀，只能看到這個(gè)：
如果你把芯片拿出來(lái)，放在顯微鏡底下，你會(huì)看到這個(gè)：
是不是不明覺厲？其實(shí)很好理解。我們來(lái)看看它的樣品圖：
在上面那個(gè)樣品圖中，十字型或星字型符號(hào)就表示一個(gè)量子比特。它的真面目就是我們剛才提到的，用約瑟夫森結(jié)加上超導(dǎo)電容構(gòu)成的超導(dǎo)量子比特。
超導(dǎo)量子處理器雖然在實(shí)驗(yàn)室的稀釋制冷機(jī)里凍著，但是你可以登錄云端平臺(tái)，注冊(cè)一個(gè)賬號(hào)，然后搭建自己的量子線路。它可以實(shí)現(xiàn)單比特操作，雙比特操作和多比特讀取等多種操作組合。
四、零基礎(chǔ)教你搭建量子線路
那么，這個(gè)云平臺(tái)應(yīng)該怎么玩呢？跟經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的編程不同，你需要直接用一組“量子門”搭建一條線路，讓其中的量子比特從0出發(fā)，經(jīng)過(guò)一系列門之后，達(dá)到你想要的狀態(tài)（一系列0和1的疊加態(tài)），然后再去測(cè)量它。
比方說(shuō)，我們要讓三個(gè)量子比特（例如，Q4，Q5和Q6），經(jīng)過(guò)一組量子門之后，變成一種特殊的糾纏態(tài)。此時(shí)，如果你測(cè)量它們，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果Q4的測(cè)量結(jié)果是0，那么Q5和Q6的測(cè)量結(jié)果也必然是0；如果Q4等于1，那么Q5和Q6也必然等于1。這就說(shuō)明三個(gè)量子比特之間發(fā)生了量子糾纏：整個(gè)系統(tǒng)處于三個(gè)量子比特都等于0和三個(gè)量子比特都等于1的量子疊加態(tài)中，這種狀態(tài)有個(gè)專門的名字，叫作GHZ態(tài)。
如何才能讓量子比特變成這樣的狀態(tài)呢？在實(shí)際的運(yùn)行中，所謂讓量子比特通過(guò)一個(gè)量子門，都是通過(guò)向電路中輸入微波（或圓滑的方波）實(shí)現(xiàn)的。從物理學(xué)上來(lái)看，我們能進(jìn)行的量子門操作比較有限。不過(guò)從理論上說(shuō)，如果你足夠有技巧，借助這幾組有限的量子門操作，是可以演示絕大部分世界上的基礎(chǔ)量子計(jì)算算法的。
在我們的例子中，為了制備GHZ態(tài)，你只需要按照下圖的順序，分別將左上角的幾個(gè)量子門拖動(dòng)到線路的相應(yīng)位置上，
然后按下右上角的運(yùn)行，再輸入運(yùn)行次數(shù)，
過(guò)一會(huì)兒，你就會(huì)看到自己提交的線路目前排第幾名。
當(dāng)你排到第1名之后，云系統(tǒng)很快會(huì)運(yùn)行你的量子線路，然后把幾千次運(yùn)行結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分布顯示出來(lái)。
根據(jù)我們之前的討論，如果對(duì)理想的GHZ態(tài)進(jìn)行測(cè)量，三個(gè)比特都是0的結(jié)果和都是1的結(jié)果應(yīng)該各占50%。在上圖顯示的計(jì)算結(jié)果中，我們的測(cè)量結(jié)果分別是47.9%（最左邊的藍(lán)色柱子）和38.4%（最右邊的藍(lán)色柱子）。因此我們粗略估計(jì)，這款量子處理器制備的GHZ態(tài)的保真度是86%，已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際前沿水平。
中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院和阿里云讓大家試用這款量子處理器，一方面是為了讓大家能夠體驗(yàn)量子計(jì)算是怎么回事，另一方面，也希望通過(guò)大家一起測(cè)試和評(píng)估量子計(jì)算硬件的優(yōu)勢(shì)和穩(wěn)定性，不斷努力，提升量子計(jì)算硬件的性能，擴(kuò)展比特?cái)?shù)目。期待著終有一天，為大家提供具有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算云服務(wù)。
如果你也想照著上面那個(gè)例子，編一個(gè)量子線路玩，不妨試試點(diǎn)擊結(jié)尾的“閱讀原文”吧！
