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187纳秒,见证20量子比特纠缠态奇迹

近日,浙江大学、中科院物理所、中科院自动化所、北京计算科学研究中心等国内单位组成的团队通力合作,开发出具有20个超导量子比特的量子芯片,并成功操控其实现全局纠缠,刷新了此前固态量子器件中生成12个纠缠态的量子比特的世界纪录。

“摇篮”中的量子计算机

关于量子计算机的梦想,起源于上世纪80年代。著名物理学家费曼曾提出设想:既然自然的本质是量子的,人类能否造出一台遵循量子规律的计算机,从而更好地认识量子世界?

随着当代科学对量子世界的深入“窥探”,人们越发相信,量子计算机的技术一旦成熟,其运算能力将远超经典计算机。计算机使用“0”和“1”进行信息存储与处理,作为表示信息的最小单位,比特在经典计算机中如同一个普通开关,或0或1。量子计算机则完全不同,由于量子纠缠与叠加,一个“量子开关”可以同时代表0和1,并被称为量子比特。

“想象一下,一枚摆在桌上静止的硬币,你只能看到它的正面或背面;当你把它快速旋转起来,你看到的既是正面,又是背面。”浙江大学物理系博士生宋超解释道,而一台量子计算机就像许多硬币同时翩翩起舞。

据了解,量子比特数是衡量量子计算机性能的重要指标之一。多比特量子纠缠态的实验制备则是衡量量子计算平台控制能力的关键标志,国际竞争尤为激烈。

“通过量子纠缠与叠加,n个量子比特相互关联,可以生成2n种状态。”研发人员表示,这意味着一个含有n个比特的经典存储器可以存储2n个可能数据当中的任意一个,如果是量子存储器,则可以同时存储2n个数。相当于2n个经典计算机的CPU同时工作。即每增加一个量子比特,量子计算机的运算能力将以指数倍增加。

有报道指出,一台30个量子比特的量子计算机的计算能力和一台每秒万亿次浮点运算的经典计算机水平相当,是今天经典台式机速度的一万倍。然而,目前实验室中的量子比特原型机仍像摇篮中的婴儿,到其长大成人发挥作用还需一段漫长的培养过程。

近年来,通过科学家们的努力,不论是单个量子比特的相干性、量子门的保真度,还是量子芯片的集成度、全局纠缠态的制备规模,都有了稳步提升。

操控由20个人造原子构成的“猫”

拔地而起的钢架、错综复杂的管线、密集叠放的电路板、嗡嗡作响的制冷机……在浙江大学超导量子计算和量子模拟团队的实验室内,一片“貌不惊人”的芯片,既是保障实验室运作的大脑,也是研发团队实现20个超导量子比特量子纠缠的关键。

“仅1平方厘米的面积上,20个量子比特被均匀分布于中心谐振腔的周边,犹如由中心枢纽贯通的各个支路。”由中科院物理所博士生李贺康制备的超导量子比特芯片,采用独特的电路设计方案,使所有比特之间都能够进行相互连接,实现全局纠缠。

何谓全局纠缠?通俗地讲,即让所有量子比特协同起来参与工作。量子操纵是量子计算的技术制高点,而实现全局纠缠是检验操纵是否成功的标志。

中科院物理所副研究员许凯介绍说:“要非常高精度地操控它们,同时还得保持其质量稳定,是一项难度极大的挑战。”

“薛定谔的猫”是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的有关猫生死叠加的著名理想实验,是把微观领域的量子行为扩展到宏观世界的推演。实验是这样的:在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变,而猫将活下来。

根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。在量子的世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的波态。猫到底是死是活必须在盒子打开后,外部观测者观测时,物质以粒子形式表现后才能确定,因此猫也处于被杀死和还活着两种状态的叠加态。

实验团队则将这一实验思想带进了现实,并用“薛定谔猫态”来描述捕捉到的现象,强调了这一量子叠加现象的“荒谬性”,即量子世界里可以同时存在多个状态。

利用该芯片,实验团队生成并标定了18比特的全局纠缠的GHZ态,以及20比特的薛定谔猫态。在短短187纳秒之内,仅为人类一眨眼所需时间的百万分之一,20个人造原子就从“起跑”时的相干态,历经多次“变身”,最终形成同时存在两种相反状态的纠缠态。

“我们确实看到了在经验世界中看不到的现象,更形象的描述就是一只由20个人造原子构成的‘猫’,即薛定谔猫态。”宋超说。

跻身第一梯队后持续发力

量子计算机的研发是国际科技竞争的热点领域。据了解,谷歌、IBM、微软、英特尔、华为、阿里等高科技公司都为此投入大量研究力量。

当前,实现量子计算的物理体系主要有光学系统、离子阱和量子点等微观体系,基于宏观约瑟夫森效应的超导电路由于其在可操控性和可扩展性等方面的优势,是目前国际上公认的有希望实现量子计算的几个物理载体之一。

近年来,浙江大学物理系的超导量子计算和量子模拟团队一直致力于超导量子计算和量子模拟的实验研究,并曾在两年前同中科大、中科院物理所、福州大学等合作制造出10比特超导量子芯片,实现了当时世界上最大数目的10个超导量子比特的纠缠,打破了之前由谷歌和加州大学圣塔芭芭拉分校保持的纪录,使得我国在量子计算机研究领域进入国际第一梯队。

“与世界上其他的超导量子芯片相比,我们研发的芯片拥有一个显著特点,那就是所有比特之间都能够进行相互连接,这能够提升量子芯片的运行效率,也是我们能够率先实现20比特纠缠的重要原因之一。”许凯总结道。

5月初,实验团队曾在预印本网站就该实验结果进行过公布,不久后美国IBM超导量子计算团队和哈佛大学里德堡原子团队也在预印本网站公布了类似的实验结果。3个工作报道的纠缠比特数目基本持平,反映了以纠缠态制备为代表的多量子比特相干操控是目前该领域努力的主要方向。

值得寻味的是,人类差不多用了70年的时间,见证了经典计算机从笨重又不稳定、动辄占据整个实验室、浑身布满机械阀门的机器发展到便携的个人电脑、智能手机的进步。当前许多经典计算机很难、甚至无法完成的运算,通过量子计算机来实现,又将经过多久?

许凯表示,人们有理由期待,在未来几十年内,量子计算机能从理论走向应用,完成经典计算机无法解决的大规模计算难题,在密码破解、药物设计、人工智能等领域大显身手。

责任编辑:马利亚


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