動動鼠標就能操縱超導量子處理器？快來玩一把！
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11量子比特的超導量子處理器，并在這款處理器的基礎上開發(fā)了一個云服務系統(tǒng)。
http://quantumcomputer.ac.cn/index.html （請點擊文末的“閱讀原文”）
任何人，比如你和我，都可以訪問這個云系統(tǒng)，然后按照自己的想法，對其中的11個量子比特執(zhí)行各種計算操作，也就是運行自己的量子計算“程序”。
今天，我們就來嘮一嘮，這個超導量子處理器好不好玩，應該怎么玩。
在開始玩之前，我們先來猜猜看，量子處理器應該長什么樣？雖然咱們都不會制造量子處理器，但是可以推想，量子處理器背后的規(guī)律是量子力學，量子力學是描述微觀世界的物理定律，所以，能夠用來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。
那么問題來了，量子處理器是用幾個原子、光子、電子造的，你買回來敢往家里放嗎？萬一找不到了你怨誰？
就算你敢往家里放，你知道怎么用嗎？原子、光子、電子這玩意兒誰會操縱？
萬一有一天，你好不容易賣了腎，血拼回來一塊最新版硬件，打算升級一下原有設備，那么這兩堆原子應該怎樣連起來？
這么一尋摸，感覺量子處理器就算造出來，咱們老百姓也沒法玩啊。難道科學家就不能造一臺長得像計算機的量子計算機嗎？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、可擴展的量子處理器——超導量子處理器。
一、量子處理器居然有電路圖？
超導量子處理器最好玩的地方，就是它真的很像經(jīng)典計算機的處理器（CPU）。
假如你拆開自己的手機或者電腦，會在電路板上看到啥？肯定會看到導線、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，如果你拆開超導量子處理器，就會看到類似這樣的一個電路圖，這不是別的，正是一個超導量子比特的電路圖。
如果你中學學過的知識沒忘，還記得怎么認電子元件符號的話，就會發(fā)現(xiàn)超導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？
這么簡單的電路就能產(chǎn)生量子比特？可不是咋的！你有沒有注意到，在這個簡單的電路中，有一個經(jīng)典計算機電路圖里看不到的玩意兒，就是這兩個×：
這兩個×可不是畫錯了，它就是曾經(jīng)獲得過1973年諾貝爾物理學獎的約瑟夫森結(jié)。正是因為有了這個結(jié)，看似不起眼的電路圖才能搖身一變，變成一個量子比特。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)典計算機中，我們用電路中電壓的大小來來表示經(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不同的量子狀態(tài)來，一個狀態(tài)表示1，一個狀態(tài)表示0?？墒牵覀兤綍r常用的電容、電感，都是線性元件。用它們搭一個電路，產(chǎn)生的量子狀態(tài)可不止兩個，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，只要有電路就會有電阻，你一通上電，它就會一邊計算一邊發(fā)熱一邊損耗能量。就算開始不亂套，算上一會兒它也會亂套。
在這種情況下， 科學家自然會想到，有沒有一種不會發(fā)熱，不會損耗能量的電子元件呢？而且，它還得是非線性的，能強行造出兩個特殊的量子狀態(tài)用來表示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)很簡單，就是在兩個超導體中間加一層薄薄的絕緣體（或者普通導體），比如圖中的鋁-氧化鋁-鋁（鋁需要在低溫下才能進入超導狀態(tài)）。
做成這種三明治以后，約瑟夫森結(jié)就會展現(xiàn)一種奇怪的非線性效應。
什么叫非線性呢？讓我們先來看看線性是咋回事。
如果一個線性導體兩邊沒有電壓，就不會有電流通過。
如果在導體兩端加上一點兒電壓，其中就會有電流通過。而且電壓越大，電流也會越大，這就是線性。
約瑟夫森結(jié)根本不按套路出牌。你還沒給它加電壓，它就有電流了，而且是一種超導電流。
當你在它的兩端加上一點兒電壓后，它的超導電流不會增大，而是會開始振蕩。
你加大電壓，它的超導電流既沒有變大，也沒有變小，而是會改變超導電流振蕩的相位。
你看，約瑟夫森結(jié)的超導電流根本不鳥電壓（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，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，有兩個最低能量狀態(tài)離得特別近，非常適合用來表示量子比特1和0。
用約瑟夫森結(jié)搭建的超導量子電路的狀態(tài)，可不是一般的量子狀態(tài)，它還有一個朗朗上口的名字，叫作“宏觀量子狀態(tài)”。在我個人看來，它確實有點兒像劉慈欣科幻小說中描述的“宏原子”。這就是它的第一個優(yōu)點：宏觀（具體細節(jié)請看結(jié)尾注釋）。
并且，作為一個超導電子元件，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零度附近以后，它既不會發(fā)熱，也不會損耗能量。這是它的第二個優(yōu)點：不損耗能量。
為了實現(xiàn)超導，科學家通常要用稀釋制冷機把它降低到絕對零度之上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，不容易讓計算出錯。這是它的第三個優(yōu)點：抗干擾。
想要操縱電路中的超導量子比特可比操縱原子簡單多了，工程師用5GHz的微波就可以輕松地搞定，這就是它的第四個優(yōu)點：易操縱。在量子比特之外加上一個特殊的振蕩電路，就可以讀取比特的狀態(tài)，這就是它的第五個優(yōu)點：易讀取。把幾個量子比特用超導電容連起來，這幾個量子比特就可以發(fā)生量子糾纏，這就是它的第六個優(yōu)點：易規(guī)模化。
三、11量子比特的超導量子處理器
當然，真正的11量子比特超導量子處理器不可能是熱狗三明治做的。它使用的超導材料是鋁，襯底是藍寶石（氧化鋁），約瑟夫森結(jié)采用的是鋁-氧化鋁-鋁結(jié)構(gòu)。
由于需要在絕對零度附近才能正常工作，平時這個處理器芯片都關(guān)在稀釋制冷機中。如果你去實驗室參觀，只能看到這個：
如果你把芯片拿出來，放在顯微鏡底下，你會看到這個：
是不是不明覺厲？其實很好理解。我們來看看它的樣品圖：
在上面那個樣品圖中，十字型或星字型符號就表示一個量子比特。它的真面目就是我們剛才提到的，用約瑟夫森結(jié)加上超導電容構(gòu)成的超導量子比特。
超導量子處理器雖然在實驗室的稀釋制冷機里凍著，但是你可以登錄云端平臺，注冊一個賬號，然后搭建自己的量子線路。它可以實現(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、零基礎教你搭建量子線路
那么，這個云平臺應該怎么玩呢？跟經(jīng)典計算機中的編程不同，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)過一系列門之后，達到你想要的狀態(tài)（一系列0和1的疊加態(tài)），然后再去測量它。
比方說，我們要讓三個量子比特（例如，Q4，Q5和Q6），經(jīng)過一組量子門之后，變成一種特殊的糾纏態(tài)。此時，如果你測量它們，就會發(fā)現(xiàn)，如果Q4的測量結(jié)果是0，那么Q5和Q6的測量結(jié)果也必然是0；如果Q4等于1，那么Q5和Q6也必然等于1。這就說明三個量子比特之間發(fā)生了量子糾纏：整個系統(tǒng)處于三個量子比特都等于0和三個量子比特都等于1的量子疊加態(tài)中，這種狀態(tài)有個專門的名字，叫作GHZ態(tài)。
如何才能讓量子比特變成這樣的狀態(tài)呢？在實際的運行中，所謂讓量子比特通過一個量子門，都是通過向電路中輸入微波（或圓滑的方波）實現(xiàn)的。從物理學上來看，我們能進行的量子門操作比較有限。不過從理論上說，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量子計算算法的。
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量子門拖動到線路的相應位置上，
然后按下右上角的運行，再輸入運行次數(shù)，
過一會兒，你就會看到自己提交的線路目前排第幾名。
當你排到第1名之后，云系統(tǒng)很快會運行你的量子線路，然后把幾千次運行結(jié)果的統(tǒng)計分布顯示出來。
根據(jù)我們之前的討論，如果對理想的GHZ態(tài)進行測量，三個比特都是0的結(jié)果和都是1的結(jié)果應該各占50%。在上圖顯示的計算結(jié)果中，我們的測量結(jié)果分別是47.9%（最左邊的藍色柱子）和38.4%（最右邊的藍色柱子）。因此我們粗略估計，這款量子處理器制備的GHZ態(tài)的保真度是86%，已經(jīng)達到了國際前沿水平。
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量子計算是怎么回事，另一方面，也希望通過大家一起測試和評估量子計算硬件的優(yōu)勢和穩(wěn)定性，不斷努力，提升量子計算硬件的性能，擴展比特數(shù)目。期待著終有一天，為大家提供具有實用價值的量子計算云服務。
如果你也想照著上面那個例子，編一個量子線路玩，不妨試試點擊結(jié)尾的“閱讀原文”吧！
