187納秒,中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)20個(gè)超導(dǎo)量子全局糾纏

近日，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在量子計(jì)算領(lǐng)域再次創(chuàng)造世界紀(jì)錄！浙江大學(xué)、中科院物理所、中科院自動(dòng)化所以及北京計(jì)算科學(xué)研究中心等國(guó)內(nèi)單位合作，開發(fā)出具有20個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子芯片，并成功實(shí)現(xiàn)對(duì)其操控及全局糾纏！

又一項(xiàng)世界紀(jì)錄！

繼去年潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)18個(gè)光量子比特糾纏后，近日，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(guó)內(nèi)單位共同合作，再次在量子計(jì)算領(lǐng)域刷新了又一項(xiàng)世界紀(jì)錄——開發(fā)了具有20個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子芯片，并成功操控，實(shí)現(xiàn)了全局糾纏！

這一重磅成果刊登在了國(guó)際頂級(jí)雜志《Science》。

這項(xiàng)工作有多厲害？

只需要在短短187納秒之內(nèi)（相當(dāng)于人眨眼所需時(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)。

具有20個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子芯片示意圖受訪單位供圖

正如人民日?qǐng)?bào)所評(píng)論：

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“璀璨”的187納秒，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)算的成功依賴于糾纏大規(guī)模系統(tǒng)的能力。研究人員開發(fā)了各種各樣的平臺(tái)，其中以超導(dǎo)量子比特和捕獲原子為基礎(chǔ)的架構(gòu)是最先進(jìn)的。

在這樣的量子系統(tǒng)上證明糾纏的可控生成和檢測(cè)是大規(guī)模量子處理器發(fā)展的重要方向。

然而，在完全可控和可擴(kuò)展的量子平臺(tái)上生成和驗(yàn)證多比特量子糾纏態(tài)仍然是一個(gè)突出的挑戰(zhàn)。

本研究報(bào)告了在一個(gè)量子處理器上生成18比特的全局糾纏的GHZ態(tài)，以及20比特的薛定諤貓態(tài)。

通過設(shè)計(jì)單軸扭曲哈密頓量，量子比特系統(tǒng)一旦初始化，就會(huì)連貫地演化為多分量原子薛定諤貓態(tài) - 即原子相干態(tài)的疊加，包括 GHZ 態(tài)在預(yù)期的特定時(shí)間間隔的疊加。

研究人員表示，這種在固態(tài)平臺(tái)上的方法不僅可以激發(fā)人們對(duì)探索量子多體系統(tǒng)基礎(chǔ)物理的興趣，而且還能促進(jìn)量子計(jì)量和量子信息處理的實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展。

下圖顯示了超導(dǎo)量子處理器的結(jié)構(gòu)機(jī)器基準(zhǔn)特征。

圖1：超導(dǎo)量子處理器及其基準(zhǔn)特性

（A）由中央總線諧振器B（灰色）互連的假彩色電路圖像顯示20個(gè)超導(dǎo)量子比特（通過順時(shí)針方向從1到20標(biāo)記的青色線條）。每個(gè)量子比特都有自己的磁通偏置線（藍(lán)色）用于Z控制，16個(gè)量子比特具有單獨(dú)的微波線（紅色）用于XY控制，而Q4，Q7，Q14和Q17共享相鄰量子比特的微波線。每個(gè)量子比特都有自己的讀出諧振器（綠色），它耦合到兩條傳輸線中的一條（橙色），以便同時(shí)讀出。還顯示了代表性的量子比特-總線諧振器耦合電容器的放大視圖，其中所示的點(diǎn)處具有不同的電容值，以及測(cè)量設(shè)置的說(shuō)明性示意圖。

（B）通過傳輸線的信號(hào)頻譜，|S21|，其中量子比特讀出諧振器的響應(yīng)在下降時(shí)可見。

（C）Q20的交換光譜，通過將Q20激勵(lì)到|1i然后測(cè)量其作為量子比特頻率和延遲時(shí)間函數(shù)的|1i-state概率（彩色條）而獲得。為消除測(cè)量誤差而校正的概率數(shù)據(jù)（27）來(lái)自由垂直白色條紋分開的兩個(gè)連續(xù)掃描。在掃描期間，其他19個(gè)量子比特在Z控制下按頻率進(jìn)行分類，可以通過人字形圖案進(jìn)行識(shí)別，這是由于Q20與總線諧振器B介導(dǎo)的量子比特之間的相干能量交換導(dǎo)致的。放大視圖是Q20和B之間的直接能量交換。

這個(gè)超導(dǎo)量子處理器（圖1）由20個(gè)頻率可調(diào)的transmon qubit組成，量子比特通過各自的讀出諧振器（圖1 B）進(jìn)行檢測(cè)。

圖2：18個(gè)量子比特的GHZ態(tài)

（A）用于產(chǎn)生和表征N-qubit GHZ態(tài)的脈沖序列。

（B）N-qubit GHZ奇偶校驗(yàn)振蕩。對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（藍(lán)色圓圈），通過重復(fù)脈沖序列大約30×2^N次，來(lái)找到原始的2^N占有幾率，然后應(yīng)用讀出校正來(lái)消除測(cè)量誤差（27），之后使用最大似然估計(jì)來(lái)驗(yàn)證占有幾率并計(jì)算奇偶校驗(yàn)值P。為了估計(jì)誤差條（error bars），我們將完整的數(shù)據(jù)集劃分為幾個(gè)子群，每個(gè)子群包含大約5×2^N個(gè)樣本，并且誤差條對(duì)應(yīng)于從這些子群計(jì)算的那些標(biāo)準(zhǔn)偏差。紅線是正弦曲線擬合，條紋幅度對(duì)應(yīng)于|r00。。。0，11。。。1|。對(duì)于N=16到18，在整個(gè)γ∈[-π/2，π/2]范圍內(nèi)，如果采樣尺寸為30×2^N時(shí)，則重復(fù)測(cè)量花費(fèi)的時(shí)間過長(zhǎng)。用灰線連起來(lái)的灰點(diǎn)來(lái)自減小了~2^N采樣尺寸的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，沒有誤差條，作為視覺引導(dǎo)指示正確的N分段振蕩周期。

圖3：多組分原子薛定諤貓態(tài)在動(dòng)態(tài)過程中產(chǎn)生20個(gè)量子位元

圖3顯示在實(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(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。

由于量子信息技術(shù)的潛在價(jià)值，歐美各國(guó)都在積極整合各方面研究力量和資源，開展國(guó)家級(jí)的協(xié)同攻關(guān)。其中，歐盟在2016年宣布啟動(dòng)量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目；美國(guó)國(guó)會(huì)則于6月27日正式通過了“國(guó)家量子行動(dòng)計(jì)劃”（National Quantum IniTIaTIve，NQI），確保自己不會(huì)落后其他發(fā)展量子技術(shù)的國(guó)家。

國(guó)外高科技巨頭，比如谷歌、微軟、IBM等也紛紛強(qiáng)勢(shì)介入量子計(jì)算研究，并且頻頻宣告進(jìn)步。

尤其是谷歌。谷歌從2014年開始研究基于超導(dǎo)的量子計(jì)算機(jī)。去年3月，谷歌宣布推出 72 量子比特的量子計(jì)算機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了 1% 的低錯(cuò)誤率；去年5月，谷歌在《自然-物理學(xué)》發(fā)表文章，描述了從隨機(jī)量子電路的輸出中采樣位元串（bit-strings）的任務(wù)，這可以被認(rèn)為是量子計(jì)算機(jī)的“hello world”程序。

在另一篇發(fā)表于Science的論文《用超導(dǎo)量子比特演示量子霸權(quán)的藍(lán)圖》（A blueprint for demonstraTIng quantum supremacy with superconducTIng qubits）中，谷歌闡述了量子霸權(quán)的藍(lán)圖，并首次實(shí)驗(yàn)證明了一個(gè)原理驗(yàn)證的版本。

不過，IBM、英特爾、谷歌等宣布實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)原型，這些量子比特并沒有形成糾纏態(tài)。單純比拼物理量子比特?cái)?shù)，這一優(yōu)勢(shì)在應(yīng)用層面尚無(wú)太大意義。

前文也說(shuō)了，多個(gè)量子比特的相干操縱和糾纏態(tài)制備是發(fā)展可擴(kuò)展量子信息技術(shù)，特別是量子計(jì)算的最核心指標(biāo)。為什么？

經(jīng)典計(jì)算機(jī)是通過一串二進(jìn)制代碼 0 和 1 來(lái)編碼和操縱信息。量子比特所做的事情在本質(zhì)上并沒有區(qū)別，只是它們能夠處在 0 和 1 的疊加態(tài)下。換而言之，當(dāng)我們測(cè)量量子比特的狀態(tài)時(shí)，會(huì)得到一個(gè)一定概率的 0 或 1 。

為了用許多這樣的量子比特執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，它們必須持續(xù)地處在一種相互關(guān)聯(lián)的疊加態(tài)下，即所謂的量子相干態(tài)。這些量子比特處于糾纏之中，一個(gè)比特的變化能夠影響到剩下所有的量子比特。因此，基于量子比特的運(yùn)算能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)比特。

傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力隨著比特位的增加呈線性增長(zhǎng)，而每增加一個(gè)量子比特位，則有可能使量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力加倍（呈指數(shù)增長(zhǎng)）。這也就是為什么 5 量子比特位和 50 量子比特位的量子計(jì)算機(jī)有天壤之別。

不過，真正重要的不僅僅是有多少個(gè)量子比特（這甚至不是主要因素），而是量子比特的性能好壞，以及算法是否高效。

多粒子糾纏的操縱作為量子計(jì)算的技術(shù)制高點(diǎn)，一直是國(guó)際角逐的焦點(diǎn)。在光子體系，潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏，一直保持著國(guó)際領(lǐng)先水平。

在超導(dǎo)體系，2015年，谷歌、美國(guó)航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校宣布實(shí)現(xiàn)了9個(gè)超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。這個(gè)記錄在2016年底被中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)打破：潘建偉、朱曉波、王浩華等自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，通過發(fā)展全局糾纏操作，成功實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)量子比特的糾纏和完整的測(cè)量。

進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)利用超導(dǎo)量子電路，演示了求解線性方程組的量子算法，證明了通過量子計(jì)算的并行性加速求解線性方程組的可行性。相關(guān)成果也發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊《物理評(píng)論快報(bào)》。

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