187納秒，見證20量子比特糾纏態(tài)奇跡

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(guó)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，刷新了此前固態(tài)量子器件中生成12個(gè)糾纏態(tài)的量子比特的世界紀(jì)錄。

“搖籃”中的量子計(jì)算機(jī)

關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的夢(mèng)想，起源于20世紀(jì)80年代。著名物理學(xué)家費(fèi)曼曾提出設(shè)想：既然自然的本質(zhì)是量子的，人類能否造出1臺(tái)遵循量子規(guī)律的計(jì)算機(jī)，從而更好地認(rèn)識(shí)量子世界。

隨著當(dāng)代科學(xué)對(duì)量子世界的深入“窺探”，人們?cè)桨l(fā)相信，量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)一旦成熟，其運(yùn)算能力將遠(yuǎn)超經(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，作為表示信息的最小單位，比特在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中如同一個(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，1個(gè)“量子開關(guān)”可以同時(shí)代表0和1，并被稱為量子比特。1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。浙江大學(xué)物理系博士生宋超解釋道，而1臺(tái)量子計(jì)算機(jī)就像許多硬幣同時(shí)翩翩起舞。

據(jù)了解，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。多比特量子糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備則是衡量量子計(jì)算平臺(tái)控制能力的關(guān)鍵標(biāo)志，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)尤為激烈。“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)。”研發(fā)人員表示，這意味著一個(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。即每增加一個(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，1臺(tái)30個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和1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1萬倍。然而，目前實(shí)驗(yàn)室中的量子比特原型機(jī)仍像搖籃中的嬰兒，到其長(zhǎng)大成人發(fā)揮作用還需一段漫長(zhǎng)的培養(yǎng)過程。近年來，通過科學(xué)家們的努力，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，都有了穩(wěn)步提升。

操控由20個(gè)人造原子構(gòu)成的“貓”

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)……在浙江大學(xué)超導(dǎo)量子計(jì)算和量子模擬團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，一片“貌不驚人”的芯片，既是保障實(shí)驗(yàn)室運(yùn)作的大腦，也是研發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)20個(gè)超導(dǎo)量子比特量子糾纏的關(guān)鍵?！皟H1 m2的面積上，20個(gè)量子比特被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?！庇芍锌圃何锢硭┦可钯R康制備的超導(dǎo)量子比特芯片，采用獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)方案，使所有比特之間都能夠進(jìn)行相互連接，實(shí)現(xiàn)全局糾纏。全局糾纏通俗地講，即讓所有量子比特協(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。中科院物理所副研究員許凱介紹說：“要非常高精度地操控它們，同時(shí)還得保持其質(zhì)量穩(wěn)定，是一項(xiàng)難度極大的挑戰(zhàn)?！?/p>

“薛定諤的貓”是由奧地利物理學(xué)家薛定諤于1935年提出的有關(guān)貓生死疊加的著名理想實(shí)驗(yàn)，是把微觀領(lǐng)域的量子行為擴(kuò)展到宏觀世界的推演。實(shí)驗(yàn)是在1個(gè)盒子里有1只貓，以及少量放射性物質(zhì)。之后，有50%的概率放射性物質(zhì)將會(huì)衰變并釋放出毒氣殺死這只貓，同時(shí)有50%的概率放射性物質(zhì)不會(huì)衰變，而貓將活下來。根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，在盒子里必將發(fā)生這兩個(gè)結(jié)果之一，而外部觀測(cè)者只有打開盒子才能知道里面的結(jié)果。在量子的世界里，當(dāng)盒子處于關(guān)閉狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)則一直保持不確定性的波態(tài)。貓到底是死是活必須在盒子打開后，外部觀測(cè)者觀測(cè)時(shí)，物質(zhì)以粒子形式表現(xiàn)后才能確定，因此貓也處于被殺死和還活著兩種狀態(tài)的疊加態(tài)。

實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)則將這一實(shí)驗(yàn)思想帶進(jìn)了現(xiàn)實(shí)，并用“薛定諤貓態(tài)”來描述捕捉到的現(xiàn)象，強(qiáng)調(diào)了這一量子疊加現(xiàn)象的“荒謬性”，即量子世界里可以同時(shí)存在多個(gè)狀態(tài)。利用該芯片，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)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)。在短短187納秒之內(nèi)，僅為人類一眨眼所需時(shí)間的百萬分之一，20個(gè)人造原子就從“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)。宋超說：“在經(jīng)驗(yàn)世界中看不到的現(xiàn)象，更形象的描述就是一只由20個(gè)人造原子構(gòu)成的‘貓’，即薛定諤貓態(tài)。”。

躋身第一梯隊(duì)后持續(xù)發(fā)力

量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)是國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)領(lǐng)域。據(jù)了解，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(shì)，是目前國(guó)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，并曾在兩年前同中科大、中科院物理所、福州大學(xué)等合作制造出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紀(jì)錄，使得我國(guó)在量子計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域進(jìn)入國(guó)際第一梯隊(duì)?！芭c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)，那就是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?！痹S凱總結(jié)道。

2019年5月初，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)曾在預(yù)印本網(wǎng)站就該實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行過公布，不久后美國(guó)IBM超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)和哈佛大學(xué)里德堡原子團(tuán)隊(duì)也在預(yù)印本網(wǎng)站公布了類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。3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該領(lǐng)域努力的主要方向。

值得尋味的是，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。當(dāng)前許多經(jīng)典計(jì)算機(jī)很難、甚至無法完成的運(yùn)算，通過量子計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。許凱表示，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。