中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)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(gè)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(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(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，國際競爭尤為激烈,。經(jīng)過近兩年時(shí)間的器件設(shè)計(jì)與制備,、實(shí)驗(yàn)測控及數(shù)據(jù)處理，由中國學(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,。

圖：20比特量子芯片示意圖

“搖籃”中的量子計(jì)算機(jī)

關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的夢想始于上世紀(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)識量子世界？人們意識到,，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,，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，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題時(shí)展現(xiàn)超越超級計(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(gè)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(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”

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(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,。“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?！毙酒脑O(shè)計(jì)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(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,。許凱6年前到浙大讀研開始涉足超導(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始組建自己的實(shí)驗(yàn)室。

圖：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)。

“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)?！彼纬f,。

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納秒之內(nèi)（僅為人眨一下眼所需時(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,。

正是這“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。

第一梯隊(duì)

量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)是國際科技競爭的熱點(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,，是目前國際上公認(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,，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,，使得我國在量子計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域進(jìn)入國際第一梯隊(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,。”許凱總結(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)就收到了一封來自英國教授的郵件,，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示了贊賞,。“他在信中提供了很好的研究建議,，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?！彼纬f,，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教授,。

5月14日,，美國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,。今天,《科學(xué)》同期還刊發(fā)了美國哈佛大學(xué)Mikhail D. Lukin教授團(tuán)隊(duì)20個(gè)里德堡原子的糾纏實(shí)驗(yàn)。

這一研究得到了浙大“雙一流”建設(shè)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi),、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、國家自然科學(xué)基金和中科院重點(diǎn)研究計(jì)劃的支持。

圖：在浙大超導(dǎo)量子計(jì)算和量子模擬實(shí)驗(yàn)室奮斗的青年們,，包括即將入學(xué)和剛畢業(yè)不久的博士生（從左到右依次是張敘,，劉武新，郭秋江,，任文慧,，宋超，許凱,，董航,，王震）。他們的辛勤工作是團(tuán)隊(duì)科研能夠不斷前進(jìn)的源動(dòng)力,。

原標(biāo)題：中科大研制出24個(gè)超導(dǎo)量子比特處理器

記者8月5日從中科大獲悉,，該校潘建偉、朱曉波,、彭承志等組成的超導(dǎo)量子實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì),，聯(lián)合中科院物理研究所范桁理論小組，在超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展,，在一個(gè)集成了24個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子處理器上,，通過對超過20個(gè)超導(dǎo)量子比特的高精度相干調(diào)控,，實(shí)現(xiàn)了Bose-Hubbard梯子模型多體量子系統(tǒng)的模擬。該成果于7月30日在線發(fā)表在國際權(quán)威期刊《物理評論快報(bào)》上,。

超導(dǎo)量子計(jì)算是最有可能率先實(shí)現(xiàn)實(shí)用化量子計(jì)算的方案之一,。

作為量子計(jì)算的基本單元——量子比特,，可以處于“0”和“1”之間的所謂“量子相干疊加態(tài)”,。

多個(gè)量子比特一旦實(shí)現(xiàn)相干疊加，其代表的狀態(tài)空間將會(huì)隨著量子比特的數(shù)目指數(shù)增加,。

目前,，超導(dǎo)量子計(jì)算的核心目標(biāo)，正是如何同步地增加所集成的量子比特?cái)?shù)目以及提升超導(dǎo)量子比特性能,，從而能夠高精度相干操控更多的量子比特,，實(shí)現(xiàn)對特定問題處理速度上的指數(shù)加速，并最終應(yīng)用于實(shí)際問題中,。

近年來,，潘建偉團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)超導(dǎo)量子計(jì)算的核心目標(biāo)，取得一系列重要進(jìn)展,。2019年初,，他們在一維鏈結(jié)構(gòu)12個(gè)比特超導(dǎo)量子芯片上實(shí)現(xiàn)了最大規(guī)模的超導(dǎo)量子比特糾纏態(tài)12比特“簇態(tài)”的制備，保真度達(dá)到70%,，打破此前創(chuàng)造的10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏的紀(jì)錄,。隨后，該團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地將超導(dǎo)量子比特應(yīng)用到量子行走研究中,，為未來多體物理現(xiàn)象的模擬以及利用量子行走進(jìn)行通用量子計(jì)算的研究奠定了基礎(chǔ),。

潘建偉團(tuán)隊(duì)以24個(gè)比特超導(dǎo)量子處理器為平臺(tái)，開展量子多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題的模擬研究,，在超導(dǎo)量子芯片上實(shí)現(xiàn)了對Bose-Hubbard梯子模型多體量子系統(tǒng)的模擬,，觀察到了單激發(fā)和雙激發(fā)兩種模式下完全不同的獨(dú)特動(dòng)力學(xué)過程，顯示了超導(dǎo)量子芯片作為量子模擬平臺(tái)的強(qiáng)大應(yīng)用潛力,，對強(qiáng)關(guān)聯(lián)多體系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)特性研究有重要的指導(dǎo)意義,，為利用多量子比特系統(tǒng)研究多體物理系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。