全球頂級學(xué)術(shù)期刊《Science》（科學(xué)）2019年8月9日最新一期刊登了中國學(xué)者在量子計(jì)算研究中的新進(jìn)展，題為《Generation of multicomponent atomic Schr?dinger cat states of up to 20 qubits》。

這項(xiàng)成果由浙江大學(xué)、中科院物理所、中科院自動(dòng)化所、北京計(jì)算科學(xué)研究中心等國內(nèi)單位組成的團(tuán)隊(duì)通力合作，開發(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)目的世界紀(jì)錄。

中國量子計(jì)算研究處于國際第一梯隊(duì)

量子比特?cái)?shù)和操縱精度，是當(dāng)前國際量子計(jì)算科研的兩大核心難題。而多比特量子糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備是衡量量子計(jì)算平臺控制能力的關(guān)鍵標(biāo)志，全球范圍內(nèi)競爭尤為激烈。

在工業(yè)界，谷歌、IBM、微軟、英特爾、華為、阿里等高科技公司都投入大量資源，IBM在這方面發(fā)聲較多，今年1月，IBM發(fā)布全球首個(gè)獨(dú)立商用量子計(jì)算機(jī)IBM Q。學(xué)界，包括中國、美國、英國、歐洲多國都非常重視量子計(jì)算的研究。

國內(nèi)，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紀(jì)錄，使得我國在量子計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域進(jìn)入國際第一梯隊(duì)。

此前，中國科技大學(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)糾纏的紀(jì)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。

 

見證人類量子計(jì)算研究又邁進(jìn)一步的187ns

在浙江大學(xué)超導(dǎo)量子計(jì)算和量子模擬團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)完成了超導(dǎo)量子比特芯片設(shè)計(jì)、平臺搭建、測控工作。據(jù)論文作者之一的宋超介紹，整個(gè)房間就是一臺量子計(jì)算機(jī)，它的“大腦”在一個(gè)直徑80厘米的圓柱形大“冰箱”的底部。

要看到1平方厘米的“大腦”，需要借助顯微鏡。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。論文的另一作者，也是芯片的設(shè)計(jì)者之一張敘說：“這是我們實(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?！?/p>

全局糾纏，通俗解釋就是讓所有量子比特協(xié)同工作。多方糾纏態(tài)對于量子信息科學(xué)中的眾多應(yīng)用至關(guān)重要。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。在完全可控和可擴(kuò)展的量子平臺上生成和驗(yàn)證多方糾纏仍然是一個(gè)突出的挑戰(zhàn)。

論文的另一作者，去年獲得博士學(xué)位并加盟中科院物理所的許凱說：“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)，那就是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。”

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（Greenberger-Horne-Zeilinger）態(tài)，以及20比特的薛定諤貓態(tài)。宋超表示：“我們確實(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)?！?/p>

 

圖：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(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)有不同組份數(shù)（對應(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)測和實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)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(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 ns（納秒）之內(nèi)（大約是人眨一下眼所需時(shí)間的百萬分之一），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。

這187ns，見證了人類在量子計(jì)算的研究道路上又邁進(jìn)了一步。

量子計(jì)算商用還有哪些難題？

量子計(jì)算是上世紀(jì)80年代，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼等人提出構(gòu)想，基于兩個(gè)奇特的量子特性——量子疊加和量子糾纏構(gòu)建量子計(jì)算。據(jù)悉，可操縱的量子比特?cái)?shù)量增加將會讓量子計(jì)算的運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)指數(shù)級增長，從而遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的性能。

因此，量子計(jì)算被認(rèn)為能夠解決當(dāng)前經(jīng)典計(jì)算系統(tǒng)無法處理的過于復(fù)雜的問題。量子計(jì)算的未來應(yīng)用包括尋找新的方法模擬金融數(shù)據(jù)，隔離關(guān)鍵的風(fēng)險(xiǎn)因素以進(jìn)行更好的投資，或者找到跨系統(tǒng)的最佳路徑，以實(shí)現(xiàn)超高效的物流和優(yōu)化交付的運(yùn)營等。

不過在把量子計(jì)算商業(yè)化的過程中，仍面臨不少挑戰(zhàn)。比如，IBM Q就要解決持續(xù)保持用于執(zhí)行量子計(jì)算的量子位的質(zhì)量的挑戰(zhàn)。這是因?yàn)榱孔颖忍貜?qiáng)大但又脆弱，通常在100微秒內(nèi)（對于最先進(jìn)的超導(dǎo)量子比特）就會失去其特殊的量子特性，部分原因在于互連機(jī)械的振動(dòng)，溫度波動(dòng)和電磁波的環(huán)境噪聲。

另外，雷鋒網(wǎng)此前也報(bào)道過業(yè)界也有一些不同的聲音，雖然學(xué)界和工業(yè)界都在開發(fā)各種固態(tài)量子系處理器，但到目前為止，哪種通用量子計(jì)算技術(shù)在商業(yè)上可行還沒有達(dá)成共識。固態(tài)量子處理器基于數(shù)十年來硅和大規(guī)模集成的經(jīng)驗(yàn)，但要求將芯片冷卻到接近絕對零度，并采用積極的糾錯(cuò)技術(shù)來保持量子位的正常運(yùn)行。

IonQ CEO兼聯(lián)合創(chuàng)始人Chris Monroe認(rèn)為，如果無法改善固態(tài)量子計(jì)算處理器系統(tǒng)中目前已經(jīng)展示出的2%的誤碼率，就需要太多的量子比特來進(jìn)行糾錯(cuò)，而只有少量的量子比特用于邏輯運(yùn)算。由于量子位差異和串?dāng)_增加，誤碼率也隨著量子位的增加而趨于上升，這就需要更多的糾錯(cuò)量子位。這是一個(gè)非常難的問題。

雷鋒網(wǎng)參考 science、人民日報(bào) 雷鋒網(wǎng)

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