中科大潘建偉團(tuán)隊研制出超導(dǎo)量子比特芯片處理器

原標(biāo)題：刷新世界紀(jì)錄！中國學(xué)者開發(fā)出具有20個超導(dǎo)量子比特的量子芯片

近日,，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)研究中心等國內(nèi)單位組成的團(tuán)隊通力合作,，開發(fā)出具有20個超導(dǎo)量子比特的量子芯片，并成功操控其實現(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)目的世界記錄,。這一進(jìn)展今天發(fā)表于美國《科學(xué)》雜志,。

多比特量子糾纏態(tài)的實驗制備是衡量量子計算平臺控制能力的關(guān)鍵標(biāo)志，國際競爭尤為激烈,。經(jīng)過近兩年時間的器件設(shè)計與制備,、實驗測控及數(shù)據(jù)處理，由中國學(xué)者組成的聯(lián)合團(tuán)隊成功將糾纏的比特數(shù)目推進(jìn)到20,。

圖：20比特量子芯片示意圖

“搖籃”中的量子計算機

關(guān)于量子計算機的夢想始于上世紀(jì)80年代,。1982年，著名物理學(xué)家費曼提出設(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,，去更好的認(rèn)識量子世界？人們意識到,，量子計算機的技術(shù)一旦成熟,，它的運算能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越經(jīng)典計算機。

計算機使用“0”和“1”進(jìn)行信息存儲與處理,。在經(jīng)典計算機里,，一個比特就如一個普通開關(guān)，或0或1,。量子計算機則完全不同,，由于量子糾纏與疊加，一個“量子開關(guān)”可以同時代表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，你看到的既是正面,，又是背面,。于是，一臺量子計算機就像許多硬幣同時翩翩起舞,。

量子比特數(shù),，是衡量量子計算機性能的重要指標(biāo)之一。通過量子糾纏與疊加,，n個量子比特相互關(guān)聯(lián),，可以生成2n種狀態(tài)。也就是說,，一個含有n個比特的經(jīng)典存儲器可以存儲2n個可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的任意一個,，如果它是量子存儲器，則可以同時存儲2n個數(shù)。相當(dāng)于2n個經(jīng)典計算機的CPU同時工作,。每增加一個量子比特,，量子計算機的運算能力將以指數(shù)倍增加。有報道指出,，一臺30個量子比特的量子計算機的計算能力和一臺每秒萬億次浮點運算的經(jīng)典計算機水平相當(dāng),，是今天經(jīng)典臺式機速度的一萬倍。人們相信,，一旦量子比特數(shù)達(dá)到50以上,，它就能在處理某些特定問題時展現(xiàn)超越超級計算機的運算能力。

人類差不多用了70年的時間,，見證了經(jīng)典計算機從笨重又不穩(wěn)定,、動輒占據(jù)整個實驗室、渾身布滿機械閥門的機器發(fā)展到便攜的個人電腦,、智能手機的進(jìn)步,；但還有許多經(jīng)典計算機很難甚至無法完成的運算，量子計算機則可以勝任,。我們完全有理由期待,，在未來幾十年內(nèi)，量子計算機能從理論走向應(yīng)用,，完成經(jīng)典計算機無法解決的大規(guī)模計算難題,，在密碼破解、藥物設(shè)計,、人工智能等領(lǐng)域大顯身手,。

然而，在澎湃的想象面前,，實驗室中的原型機仍像搖籃中的嬰兒,，到其長大成人發(fā)揮作用還需有漫長不懈怠的培養(yǎng)過程。近年來,，不論是單個量子比特的相干性、量子門的保真度,，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,，中國科技大學(xué)的研究團(tuán)隊創(chuàng)造了操縱12個超導(dǎo)量子比特實現(xiàn)糾纏的記錄。如今,，這個數(shù)字被刷新,，人類能夠同時精確操控20個超導(dǎo)量子比特進(jìn)行工作。

20個人造原子的“薛定諤貓”

浙江大學(xué)西溪校區(qū)西面的一幢教學(xué)樓，狹長的過道深處就是浙江大學(xué)超導(dǎo)量子計算和量子模擬團(tuán)隊的實驗室,，超導(dǎo)量子比特芯片設(shè)計,、平臺搭建、測控工作都在這里完成,。拔地而起的鋼架,，錯綜復(fù)雜的管線、密集疊放的電路板,、嗡嗡作響的制冷機……博士生宋超介紹道,，這整個房間就是一臺量子計算機，它的“大腦”就在一個直徑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支路?！斑@是我們實驗室迭代的第四代電路設(shè)計方案,，目標(biāo)是讓任意兩個量子比特之間都能進(jìn)行直接‘溝通’，實現(xiàn)全局糾纏,?！毙酒脑O(shè)計者之一，本科生張敘說,。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)同起來參與工作。量子操縱是量子計算的技術(shù)制高點,，而實現(xiàn)全局糾纏是檢驗操縱是否成功的標(biāo)志,。“能夠非常高精度地操控他們,，然后同時還能保持質(zhì)量穩(wěn)定,，這是一項難度極大的挑戰(zhàn)?！痹S凱介紹說,。許凱6年前到浙大讀研開始涉足超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域，去年獲得博士學(xué)位并加盟中科院物理所開始組建自己的實驗室,。

圖：宋超和許凱在量子計算實驗平臺邊討論,。