187納秒,中國科研團隊首次實現(xiàn)20個超導量子全局糾纏

近日，中國科研團隊在量子計算領域再次創(chuàng)造世界紀錄！浙江大學、中科院物理所、中科院自動化所以及北京計算科學研究中心等國內單位合作，開發(fā)出具有20個超導量子比特的量子芯片，并成功實現(xiàn)對其操控及全局糾纏！

又一項世界紀錄！

繼去年潘建偉團隊實現(xiàn)18個光量子比特糾纏后，近日，由浙江大學、中科院物理所、中科院自動化所、北京計算科學研究中心等國內單位共同合作，再次在量子計算領域刷新了又一項世界紀錄——開發(fā)了具有20個超導量子比特的量子芯片，并成功操控，實現(xiàn)了全局糾纏！

這一重磅成果刊登在了國際頂級雜志《Science》。

這項工作有多厲害？

只需要在短短187納秒之內（相當于人眨眼所需時間的百萬分之一），20個人造原子從“起跑”時的相干態(tài)，歷經(jīng)多次“變身”，最終形成同時存在兩種相反狀態(tài)的糾纏態(tài)。

具有20個超導量子比特的量子芯片示意圖受訪單位供圖

正如人民日報所評論：

操控這些量子比特生成全局糾纏態(tài)，標志著團隊能夠真正調動起這些量子比特。這“璀璨”的187納秒，見證了人類在量子計算的研究道路上又邁進了一步。

20 個人造原子的 “薛定諤貓”

量子計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，其中以超導量子比特和捕獲原子為基礎的架構是最先進的。

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

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

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

通過設計單軸扭曲哈密頓量，量子比特系統(tǒng)一旦初始化，就會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)在預期的特定時間間隔的疊加。

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

下圖顯示了超導量子處理器的結構機器基準特征。

圖1：超導量子處理器及其基準特性

（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個超導量子比特（通過順時針方向從1到20標記的青色線條）。每個量子比特都有自己的磁通偏置線（藍色）用于Z控制，16個量子比特具有單獨的微波線（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，其中所示的點處具有不同的電容值，以及測量設置的說明性示意圖。

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

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

這個超導量子處理器（圖1）由20個頻率可調的transmon qubit組成，量子比特通過各自的讀出諧振器（圖1 B）進行檢測。

圖2：18個量子比特的GHZ態(tài)

（A）用于產生和表征N-qubit GHZ態(tài)的脈沖序列。

（B）N-qubit GHZ奇偶校驗振蕩。對于每個數(shù)據(jù)點（藍色圓圈），通過重復脈沖序列大約30×2^N次，來找到原始的2^N占有幾率，然后應用讀出校正來消除測量誤差（27），之后使用最大似然估計來驗證占有幾率并計算奇偶校驗值P。為了估計誤差條（error bars），我們將完整的數(shù)據(jù)集劃分為幾個子群，每個子群包含大約5×2^N個樣本，并且誤差條對應于從這些子群計算的那些標準偏差。紅線是正弦曲線擬合，條紋幅度對應于|r00。。。0，11。。。1|。對于N=16到18，在整個γ∈[-π/2，π/2]范圍內，如果采樣尺寸為30×2^N時，則重復測量花費的時間過長。用灰線連起來的灰點來自減小了~2^N采樣尺寸的實驗數(shù)據(jù)，沒有誤差條，作為視覺引導指示正確的N分段振蕩周期。

圖3：多組分原子薛定諤貓態(tài)在動態(tài)過程中產生20個量子位元

圖3顯示在實驗控制條件下，20 個人造原子集體從零時刻起跑后的相干演化動態(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，在不同時間點出現(xiàn)有不同組份數(shù)（對應球中紅色圈的數(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 圖分別為理論預測和實驗觀察結果。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（僅為人眨一下眼所需時間的百萬分之一），20 個人造原子從 “起跑” 時的相干態(tài)，歷經(jīng)多次 “變身”，最終形成同時存在兩種相反狀態(tài)的糾纏態(tài)。論文標題中，團隊用了 “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)，標志著團隊能夠真正調動起這些量子比特。

搶占“量子霸權”制高點，糾纏態(tài)制備是關鍵

由于量子信息技術的潛在價值，歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源，開展國家級的協(xié)同攻關。其中，歐盟在2016年宣布啟動量子技術旗艦項目；美國國會則于6月27日正式通過了“國家量子行動計劃”（National Quantum Initiative，NQI），確保自己不會落后其他發(fā)展量子技術的國家。

國外高科技巨頭，比如谷歌、微軟、IBM等也紛紛強勢介入量子計算研究，并且頻頻宣告進步。

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

在另一篇發(fā)表于Science的論文《用超導量子比特演示量子霸權的藍圖》（A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits）中，谷歌闡述了量子霸權的藍圖，并首次實驗證明了一個原理驗證的版本。

不過，IBM、英特爾、谷歌等宣布實現(xiàn)的量子計算機原型，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數(shù)，這一優(yōu)勢在應用層面尚無太大意義。

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

經(jīng)典計算機是通過一串二進制代碼 0 和 1 來編碼和操縱信息。量子比特所做的事情在本質上并沒有區(qū)別，只是它們能夠處在 0 和 1 的疊加態(tài)下。換而言之，當我們測量量子比特的狀態(tài)時，會得到一個一定概率的 0 或 1 。

為了用許多這樣的量子比特執(zhí)行計算任務，它們必須持續(xù)地處在一種相互關聯(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，基于量子比特的運算能力將遠遠超過傳統(tǒng)比特。

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

不過，真正重要的不僅僅是有多少個量子比特（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。

五光子、六光子、十光子

到18個光量子，再到20個超導量子，

多粒子糾纏一直引領世界

多粒子糾纏的操縱作為量子計算的技術制高點，一直是國際角逐的焦點。在光子體系，潘建偉團隊在國際上率先實現(xiàn)了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏，一直保持著國際領先水平。

在超導體系，2015年，谷歌、美國航天航空局和加州大學圣芭芭拉分校宣布實現(xiàn)了9個超導量子比特的高精度操縱。這個記錄在2016年底被中國科學家團隊打破：潘建偉、朱曉波、王浩華等自主研發(fā)了10比特超導量子線路樣品，通過發(fā)展全局糾纏操作，成功實現(xiàn)了當時世界上最大數(shù)目的超導量子比特的糾纏和完整的測量。

進一步，研究團隊利用超導量子電路，演示了求解線性方程組的量子算法，證明了通過量子計算的并行性加速求解線性方程組的可行性。相關成果也發(fā)表于國際權威期刊《物理評論快報》。

本文來自科技日報，本文作為轉載分享。