近日，中國的量子計算機又迎來重要進展。與世界上其他的超導(dǎo)量子芯片相比，我們研發(fā)的芯片擁有一個顯著特點，那就是所有比特之間都能夠進行相互連接，這能夠提升量子芯片的運行效率，也是我們能夠率先實現(xiàn) 20 比特糾纏的重要原因之一。
也就是說，在其他國家的研究團隊還在糾結(jié)如何增加芯片中的量子比特數(shù)以及糾錯算法時，我國科學(xué)家已經(jīng)可以用高量子比特芯片來做實際的研究了。
中科大：在 24 位量子比特量子芯片上施展“魔法”
來自中科大潘建偉研究團隊的“Propagation and Localization of Collective Excitations on a 24-Qubit Superconducting Processor”，文章刊登于 2019 年 7 月 31 日的《物理評論快報》(Physics Review Letter)上。三位第一作者中有兩位來自中科大，另一位來自中科院北京國家凝聚態(tài)研究所。
中科大團隊在文章中展示了他們在 24 位量子比特量子芯片上施展的“魔法”。
研究團隊選取了基礎(chǔ)物理中十分經(jīng)典的研究課題——“玻色-哈勃德模型(Bose-Hubbard Model)”。簡單而言，這是一個基本粒子相互作用力的物理模型，研究對象是玻色子(自旋量子數(shù)為整數(shù)倍的微小粒子)，例如實驗中使用的光子。
怎么來研究相互作用力?一般是在實驗中將系統(tǒng)中某個玻色子的狀態(tài)改變，再觀察它以及其他玻色子狀態(tài)變化，并以此推出它們之間的相互作用力。
具體來說，研究團隊采用一塊 24 量子比特(Qubit)的量子芯片進行試驗，如圖所示，量子比特 Q1A~Q10A 以及 Q1B~Q10B 中的光子是實驗中編碼和觀測的對象，它們之間由電容耦合在一起，那么這 20 個量子比特就形成了一個 2 x 10 的“梯子”。如果我們將其中一個光子置為激發(fā)態(tài)，即圖中的紅色球，它可能會引起旁邊三個光子的狀態(tài)變化，就像球從一個坑移動到另一個坑一樣。
可以理解為，這就是一個看光子的激發(fā)態(tài)怎么爬梯的實驗。
首先，研究人員將邊緣量子比特的光子置為激發(fā)態(tài)，它會像球一樣，結(jié)果顯示激發(fā)態(tài)會從一邊傳遞到另一邊，這和玻色-哈勃德模型的理論相符合，而實驗的結(jié)果和仿真計算結(jié)果吻合。接著，他們做了第二個實驗，將兩端對角的兩個邊緣量子比特光子置為激發(fā)態(tài)，實驗結(jié)果顯示，兩個光子的激發(fā)態(tài)相互獨立地從一端移動到了另一端。最后，他們將一端的兩個光子同時置為激發(fā)態(tài)，并探求這種情況下整個玻色-哈勃德梯子的狀態(tài)，他們發(fā)現(xiàn)此時激發(fā)態(tài)并沒有“傳播”下去，而是在一端形成局部化的狀態(tài)。
這樣的實驗結(jié)果看似十分簡單，但是卻有著重要的研究意義。
首先，實驗結(jié)果驗證了玻色-哈勃德模型的理論，并在一定意義上顯示了玻色子之間的強相互作用力，對于基礎(chǔ)粒子的研究具有重要意義;其次，我們?nèi)绻麑⒐庾涌闯墒悄軌虼鎯π畔⒌膯卧?，而事實上它們也是存在于量子芯片的量子比特上的，那么這樣的實驗也可以看成是量子比特間進行通信的嘗試和探索，對于量子計算機以及量子通信有指導(dǎo)意義;最后實驗本身驗證了 24-Qubit 量子芯片的正確性，我們有理由相信今后會有更多、更復(fù)雜的實驗?zāi)軌蛟谶@樣的架構(gòu)上實現(xiàn)。
刷新量子芯片世界紀(jì)錄，“虐貓狂人”出浙大
浙江大學(xué)為主的研究團隊雖然也是開發(fā)并使用高量子比特的量子芯片，但是他們有新的亮點。研究團隊的成員來自浙江大學(xué)、中科院物理所、中科院自動化所、北京計算科學(xué)研究中心等研究機構(gòu)，他們通力合作開發(fā)出具有 20 個超導(dǎo)量子比特的量子芯片，雖然量子比特數(shù)沒有達到 24，但是該芯片成功操控其實現(xiàn)全局糾纏，刷新了固態(tài)量子器件中生成糾纏態(tài)的量子比特數(shù)目的世界紀(jì)錄。實驗成果以文章的形式發(fā)表于 Science 雜志上。
在量子計算領(lǐng)域，高量子比特的量子芯片或者計算機有著超乎尋常的計算能力，而且位數(shù)越多，能力越大。全局糾纏，通俗的理解就是讓所有量子比特協(xié)同起來參與工作。
這種芯片架構(gòu)，20 個超導(dǎo)量子比特如圖一樣呈現(xiàn)兩排平行的排列。與電腦的架構(gòu)類似，在芯片中間采用了一條總線(Bus)作為所有量子比特相互連接的途徑。而每一個量子比特又有自己的控制端口(如圖中所示的紅線和藍線)。也就是說，每一個量子比特都能獨立編程、讀寫以及檢測，而總線的設(shè)計又將這些量子比特聯(lián)系在了一起，實現(xiàn)全局糾纏。
如此強大的芯片自然要用來做實驗。研究團隊基于芯片的全局糾纏實現(xiàn)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)。文章的共同第一作者宋超說：“我們確實看到了在經(jīng)典世界中看不到的現(xiàn)象，用更形象(的表述)就是——一只由 20 個人造原子構(gòu)成的‘貓’，薛定諤貓態(tài)。”
所謂薛定諤的貓態(tài)，就是不確定狀態(tài)的疊加。正如“薛定諤的貓”這一著名思維實現(xiàn)闡述，我們未打開盒子之前的貓應(yīng)該是“不死不活”的，是“死”和“活”狀態(tài)的疊加，但是我們無法在宏觀經(jīng)典世界看見這所謂的“不死不活”的貓。然而隨著量子力學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家已先后通過各種方案獲得了宏觀量子疊加態(tài)，即薛定諤貓態(tài)。此前，科學(xué)家最多使 4 個離子或 5 個光子達到“薛定諤貓”態(tài)。但如何使更多粒子構(gòu)成的系統(tǒng)達到這種狀態(tài)，已成為實驗物理學(xué)的一大挑戰(zhàn)。
實驗開始前，研究團隊將 20 個量子比特的初始狀態(tài)設(shè)置為統(tǒng)一的相干態(tài)，同一時間“釋放”。
結(jié)果令人激動，在短短的 187 納秒之內(nèi)，20 個量子比特經(jīng)歷多次變換，最終形成同時存在兩種相反狀態(tài)的量子糾纏態(tài)——他們真的看見了“不死不活”的貓了!能夠控制這些量子比特生成全局糾纏態(tài)，也彰顯了研究團隊精確控制和檢測量子比特的能力，而這精彩的187納秒，也見證了人類在量子計算研究上翻開了新的一頁。
方興未艾的量子計算
最近幾年，量子計算、量子芯片、量子糾纏等詞匯以極高的頻率出現(xiàn)在公眾視野中，為什么大家都熱衷于此?
量子計算可以說是計算能力最有可能超越經(jīng)典計算機的技術(shù)了，而現(xiàn)存的量子計算機也證明了這一點，國際上各大計算機公司、大學(xué)及研究機構(gòu)都在你追我趕地進行量子計算的研究，諸如谷歌、IBM、微軟、英特爾、華為、阿里巴巴等全球高科技公司都為此投入大量研究力量。
量子計算機的概念始于上世紀(jì) 80 年代：1982 年，著名物理學(xué)家理查德·費曼提出設(shè)想：既然自然的本質(zhì)是量子的，我們能否造出一臺遵循量子規(guī)律的計算機，去更好地認識量子世界?理論上來說，量子計算機的計算能力會比經(jīng)典計算機要高得多。經(jīng)典計算機就是我們現(xiàn)在日常使用的計算機，它的運算和存儲單元是“1 字節(jié)(bit)”，以二進制為運算法則。1 字節(jié)中的狀態(tài)為“0”或者“1”。
然而，量子計算機的運算和存儲單元“1 量子比特”，這個量子比特存儲數(shù)據(jù)的能力與字節(jié)就不能同日而語了。
量子比特的運算法則遵循量子力學(xué)的疊加原理，例如著名的薛定諤的貓，在我們打開盒子之前，貓的狀態(tài)是無法確定的，可以說是不死不活，是“死和活”的疊加狀態(tài)。類似地，1 個量子比特的狀態(tài)就可以是“0”和“1”的疊加狀態(tài)，如此一來，一個量子比特擁有的信息量就比經(jīng)典計算機中的 1 字節(jié)中的要多得多了。
舉個栗子，考慮一個 N 個物理比特的存儲器，若它是經(jīng)典存儲器，則它只能存儲2^N 個可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的任意一個;若它是量子存儲器，則它可以同時存儲 2^N 個數(shù)，而且隨著 N 的增加，其存儲信息的能力將呈指數(shù)上升。這也是當(dāng)今量子計算巨頭都在爭相追趕高位數(shù)量子計算機的原因。
(來源：FLICKR)
理論上性能如此強大的量子計算機為何至今還沒有投入大規(guī)模使用?
原因有很多，首先，量子計算機基于量子比特，而量子比特的工作環(huán)境要求十分嚴苛，以本文即將介紹的兩個實驗為例，兩個團隊的量子芯片分別有24個量子比特和 20 個量子比特，它們由超導(dǎo)體的電路構(gòu)成。而超導(dǎo)體的形成條件就十分嚴苛了，一般要求超低溫，那么這樣的條件是不可能走入尋常百姓家的。其次，從量子比特到量子芯片再到量子計算機，這一條路看似簡單，其實還有很多設(shè)計和架構(gòu)上的問題。不同于經(jīng)典計算機，量子芯片和量子計算機的架構(gòu)無法直接套用經(jīng)典計算機的技術(shù)，控制算法要求十分精確。
最后，量子比特的糾錯問題也是十分具體的，來自量子比特內(nèi)的熱量、來自基本的量子力學(xué)過程的隨機波動都可能會干擾量子比特的狀態(tài)，從而造成計算錯誤。為了處理這些錯誤，我們需要增加額外的量子比特或者預(yù)先指定一部分量子比特來進行糾錯，這樣一來，就有很大一部分計算能力要被用于糾正錯誤，而不是進行計算。
不過，盡管有這么多問題，量子計算機仍將是人類為之向往的科技，讓我們期待科學(xué)家?guī)砀嗟募夹g(shù)突破。在一周之內(nèi)，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和浙江大學(xué)主導(dǎo)的兩支研究團隊分別在《物理評論快報》和 Science 上發(fā)表了其在量子計算上的最新研究。兩個研究的重點并不相同，但都采用了高量子比特芯片作為基礎(chǔ)物理研究課題的實驗平臺，顯示了中國作為量子計算第一梯隊的實力。
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