新世界紀(jì)錄誕生！中國科研團(tuán)隊首次實現(xiàn)20個超導(dǎo)量子全局糾纏

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

　　又一項世界紀(jì)錄！

　　繼去年潘建偉團(tuán)隊實現(xiàn)18個光量子比特糾纏后，近日，由浙江大學(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)單位共同合作，再次在量子計算領(lǐng)域刷新了又一項世界紀(jì)錄——開發(fā)了具有20個超導(dǎo)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》�！　�

　　論文地址：

　　https://science.sciencemag.org/content/365/6453/574

　　這項工作有多厲害？

　　只需要在短短187納秒之內(nèi)(相當(dāng)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)。

20比特量子芯片示意圖

　　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(biāo)志著團(tuán)隊能夠真正調(diào)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(jìn)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(dǎo)量子比特和捕獲原子為基礎(chǔ)的架構(gòu)是最先進(jìn)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(kuò)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(shè)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(yù)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(chǔ)物理的興趣，而且還能促進(jìn)量子計量和量子信息處理的實際應(yīng)用的發(fā)展。

　　下圖顯示了超導(dǎo)量子處理器的結(jié)構(gòu)機(jī)器基準(zhǔn)特征。

圖1：超導(dǎo)量子處理器及其基準(zhǔn)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(dǎo)量子比特(通過順時針方向從1到20標(biāo)記的青色線條)。每個量子比特都有自己的磁通偏置線(藍(lán)色)用于Z控制，16個量子比特具有單獨(dú)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(diǎn)處具有不同的電容值，以及測量設(shè)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(yīng)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(jìn)行分類，可以通過人字形圖案進(jìn)行識別，這是由于Q20與總線諧振器B介導(dǎo)的量子比特之間的相干能量交換導(dǎo)致的。放大視圖是Q20和B之間的直接能量交換。

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

圖2：18個量子比特的GHZ態(tài)

　　(A)用于產(chǎn)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(diǎn)(藍(lán)色圓圈)，通過重復(fù)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(yīng)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(yīng)于從這些子群計算的那些標(biāo)準(zhǔn)偏差。紅線是正弦曲線擬合，條紋幅度對應(yīng)于|r00...0,11...1|。對于N=16到18，在整個γ∈[-π/2，π/2]范圍內(nèi)，如果采樣尺寸為30×2^N時，則重復(fù)測量花費(fèi)的時間過長。用灰線連起來的灰點(diǎn)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(dǎo)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(chǎn)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(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)測和實驗觀察結(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(biāo)題中，團(tuán)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(biāo)志著團(tuán)隊能夠真正調(diào)動起這些量子比特。搶占“量子霸權(quán)”制高點(diǎn)，糾纏態(tài)制備是關(guān)鍵

　　由于量子信息技術(shù)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(guān)。其中，歐盟在2016年宣布啟動量子技術(shù)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(shù)的國家。

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

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

　　在另一篇發(fā)表于Science的論文《用超導(dǎo)量子比特演示量子霸權(quán)的藍(lán)圖》(A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits)中，谷歌闡述了量子霸權(quán)的藍(lán)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(jī)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(yīng)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(kuò)展量子信息技術(shù)，特別是量子計算的最核心指標(biāo)。為什么？

　　經(jīng)典計算機(jī)是通過一串二進(jìn)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(zhì)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(dāng)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(wù)，它們必須持續(xù)地處在一種相互關(guān)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(yùn)算能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)比特。

　　傳統(tǒng)電子計算機(jī)的運(yùn)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(jī)的運(yùn)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(jī)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(dǎo)量子，多粒子糾纏一直引領(lǐng)世界

　　多粒子糾纏的操縱作為量子計算的技術(shù)制高點(diǎn)，一直是國際角逐的焦點(diǎn)。在光子體系，潘建偉團(tuán)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(lǐng)先水平。

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

　　進(jìn)一步，研究團(tuán)隊利用超導(dǎo)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(guān)成果也發(fā)表于國際權(quán)威期刊《物理評論快報》。