Science | 中國(guó)學(xué)者量子計(jì)算新進(jìn)展：20個(gè)超導(dǎo)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(xué)、中科院物理所、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)通力合作，開(kāi)發(fā)出具有20個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子芯片，并成功操控其實(shí)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?cái)?shù)目的世界記錄。這一進(jìn)展今天發(fā)表于美國(guó)《科學(xué)》雜志。
多比特量子糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備是衡量量子計(jì)算平臺(tái)控制能力的關(guān)鍵標(biāo)志，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)尤為激烈。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)控及數(shù)據(jù)處理，由中國(guó)學(xué)者組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成功將糾纏的比特?cái)?shù)目推進(jìn)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(jì)算機(jī)
關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的夢(mèng)想始于上世紀(jì)80年代。1982年，著名物理學(xué)家費(fèi)曼提出設(shè)想：既然自然的本質(zhì)是量子的，我們能否造出一臺(tái)遵循量子規(guī)律的計(jì)算機(jī)，去更好的認(rèn)識(shí)量子世界？人們意識(shí)到，量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)一旦成熟，它的運(yùn)算能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
計(jì)算機(jī)使用“0”和“1”進(jìn)行信息存儲(chǔ)與處理。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)里，一個(gè)比特就如一個(gè)普通開(kāi)關(guān)，或0或1。量子計(jì)算機(jī)則完全不同，由于量子糾纏與疊加，一個(gè)“量子開(kāi)關(guān)”可以同時(shí)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(dāng)你把它快速旋轉(zhuǎn)起來(lái)，你看到的既是正面，又是背面。于是，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)就像許多硬幣同時(shí)翩翩起舞。
量子比特?cái)?shù)，是衡量量子計(jì)算機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。通過(guò)量子糾纏與疊加，n個(gè)量子比特相互關(guān)聯(lián)，可以生成2n種狀態(tài)。也就是說(shuō)，一個(gè)含有n個(gè)比特的經(jīng)典存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)2n個(gè)可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的任意一個(gè)，如果它是量子存儲(chǔ)器，則可以同時(shí)存儲(chǔ)2n個(gè)數(shù)。相當(dāng)于2n個(gè)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的CPU同時(shí)工作。每增加一個(gè)量子比特，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力將以指數(shù)倍增加。有報(bào)道指出，一臺(tái)30個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和一臺(tái)每秒萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算的經(jīng)典計(jì)算機(jī)水平相當(dāng)，是今天經(jīng)典臺(tái)式機(jī)速度的一萬(wàn)倍。人們相信，一旦量子比特?cái)?shù)達(dá)到50以上，它就能在處理某些特定問(wèn)題時(shí)展現(xiàn)超越超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。
人類差不多用了70年的時(shí)間，見(jiàn)證了經(jīng)典計(jì)算機(jī)從笨重又不穩(wěn)定、動(dòng)輒占據(jù)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室、渾身布滿機(jī)械閥門(mén)的機(jī)器發(fā)展到便攜的個(gè)人電腦、智能手機(jī)的進(jìn)步；但還有許多經(jīng)典計(jì)算機(jī)很難甚至無(wú)法完成的運(yùn)算，量子計(jì)算機(jī)則可以勝任。我們完全有理由期待，在未來(lái)幾十年內(nèi)，量子計(jì)算機(jī)能從理論走向應(yīng)用，完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的大規(guī)模計(jì)算難題，在密碼破解、藥物設(shè)計(jì)、人工智能等領(lǐng)域大顯身手。
然而，在澎湃的想象面前，實(shí)驗(yàn)室中的原型機(jī)仍像搖籃中的嬰兒，到其長(zhǎng)大成人發(fā)揮作用還需有漫長(zhǎng)不懈怠的培養(yǎng)過(guò)程。近年來(lái)，不論是單個(gè)量子比特的相干性、量子門(mén)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(guó)科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了操縱12個(gè)超導(dǎo)量子比特實(shí)現(xiàn)糾纏的記錄。如今，這個(gè)數(shù)字被刷新，人類能夠同時(shí)精確操控20個(gè)超導(dǎo)量子比特進(jìn)行工作。
20個(gè)人造原子的“薛定諤貓”
在浙江大學(xué)一幢教學(xué)樓里，狹長(zhǎng)的過(guò)道深處就是浙江大學(xué)超導(dǎo)量子計(jì)算和量子模擬團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室，超導(dǎo)量子比特芯片設(shè)計(jì)、平臺(tái)搭建、測(cè)控工作都在這里完成。拔地而起的鋼架，錯(cuò)綜復(fù)雜的管線、密集疊放的電路板、嗡嗡作響的制冷機(jī)……博士生宋超介紹道，這整個(gè)房間就是一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，它的“大腦”就在一個(gè)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(dǎo)量子比特芯片露出真容。20個(gè)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(gè)支路?！斑@是我們實(shí)驗(yàn)室迭代的第四代電路設(shè)計(jì)方案，目標(biāo)是讓任意兩個(gè)量子比特之間都能進(jìn)行直接‘溝通’，實(shí)現(xiàn)全局糾纏?！毙酒脑O(shè)計(jì)者之一，本科生張敘說(shuō)。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(fù)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(lái)參與工作。量子操縱是量子計(jì)算的技術(shù)制高點(diǎn)，而實(shí)現(xiàn)全局糾纏是檢驗(yàn)操縱是否成功的標(biāo)志?！澳軌蚍浅８呔鹊夭倏厮麄儯缓笸瑫r(shí)還能保持質(zhì)量穩(wěn)定，這是一項(xiàng)難度極大的挑戰(zhàn)。”許凱介紹說(shuō)。許凱6年前到浙大讀研開(kāi)始涉足超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域，去年獲得博士學(xué)位并加盟中科院物理所開(kāi)始組建自己的實(shí)驗(yàn)室。
論文的兩位共同一作宋超和許凱在量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)邊討論
實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)利用這一芯片生成并標(biāo)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)?！拔覀兇_實(shí)看到了在經(jīng)驗(yàn)世界中看不到的現(xiàn)象，用更形象就是——一只由20個(gè)人造原子構(gòu)成的‘貓’，薛定諤貓態(tài)?！彼纬f(shuō)。
在實(shí)驗(yàn)控制條件下，20個(gè)人造原子集體從零時(shí)刻起跑后的相干演化動(dòng)態(tài)過(guò)程的捕捉。不到200納秒的過(guò)程中，人造原子的集體狀態(tài)歷經(jīng)多次變身，在不同時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)有不同組份數(shù)（對(duì)應(yīng)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(shí)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(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果。C圖為根據(jù)建議在新視角下對(duì)5組份薛定諤貓態(tài)的重新描繪，球中藍(lán)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(nèi)（僅為人眨一下眼所需時(shí)間的百萬(wàn)分之一），20個(gè)人造原子從“起跑”時(shí)的相干態(tài)，歷經(jīng)多次變身，最終形成同時(shí)存在兩種相反狀態(tài)的糾纏態(tài)。論文標(biāo)題中，團(tuán)隊(duì)用了“薛定諤貓態(tài)”來(lái)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(biāo)志著團(tuán)隊(duì)能夠真正調(diào)動(dòng)起這些量子比特。
正是這“璀璨”的187納秒，見(jiàn)證了人類在量子計(jì)算的研究道路上又邁進(jìn)了一步。
第一梯隊(duì)
量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)是國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)領(lǐng)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(dāng)前，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的物理體系主要有光學(xué)系統(tǒng)、離子阱和量子點(diǎn)等微觀體系，基于宏觀約瑟夫森效應(yīng)的超導(dǎo)電路由于其在可操控性和可擴(kuò)展性等方面的優(yōu)勢(shì)，是目前國(guó)際上公認(rèn)的有希望實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的幾個(gè)物理載體之一。
近年來(lái)，浙江大學(xué)物理系的超導(dǎo)量子計(jì)算和量子模擬團(tuán)隊(duì)一直致力于超導(dǎo)量子計(jì)算和量子模擬的實(shí)驗(yàn)研究。2017年，團(tuán)隊(duì)與中科大潘建偉和朱曉波團(tuán)隊(duì)、中科院物理所鄭東寧團(tuán)隊(duì)、福州大學(xué)鄭仕標(biāo)教授等合作10比特超導(dǎo)量子芯片，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)世界上最大數(shù)目的10個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏，打破了之前由谷歌和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校保持的記錄，使得我國(guó)在量子計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域進(jìn)入國(guó)際第一梯隊(duì)。
“與世界上其他的超導(dǎo)量子芯片相比，我們研發(fā)的芯片擁有一個(gè)顯著特點(diǎn)，那就時(shí)所有比特之間都能夠進(jìn)行相互連接，這能夠提升量子芯片的運(yùn)行效率，也是我們能夠率先實(shí)現(xiàn)20比特糾纏的重要原因之一?！痹S凱總結(jié)道。
據(jù)介紹，該工作最早于5月1日公布于預(yù)印本網(wǎng)站（arXiv:1905.00320）。第二天，團(tuán)隊(duì)就收到了一封來(lái)自英國(guó)教授的郵件，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(bǔ)充了實(shí)驗(yàn)，更加充分地驗(yàn)證了我們的研究成果。”宋超說(shuō)，在《科學(xué)》雜志的論文中，研究團(tuán)隊(duì)特意致謝了這位素未謀面的英國(guó)教授。
5月14日，美國(guó)IBM超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)（arXiv:1905.05720）和哈佛大學(xué)里德堡原子團(tuán)隊(duì)（arXiv:1905.05721）也在預(yù)印本網(wǎng)站公布了類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。三個(gè)工作報(bào)道的糾纏比特?cái)?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。
