中国学者刷新世界记录！开发出20量子比特量子芯片并成功实现全局纠缠
中国学者刷新世界记录！开发出20量子比特量子芯片并成功实现全局纠缠
中国学者开发出具有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，刷新了固态量子器件中生成纠缠态的量子比特数目的世界记录。
作者 | 包永刚
编辑 | Camel
全球顶级学术期刊《Science》（科学）2019年8月9日最新一期刊登了中国学者在量子计算研究中的新进展，题为《Generation of multicomponent atomic Schrödinger cat states of up to 20 qubits》。
这项成果由浙江大学、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，刷新了固态量子器件中生成纠缠态的量子比特数目的世界记录。
中国量子计算研究处于国际第一梯队
量子比特数和操纵精度，是当前国际量子计算科研的两大核心难题。而多比特量子纠缠态的实验制备是衡量量子计算平台控制能力的关键标志，全球范围内竞争尤为激烈。
在工业界，谷歌、IBM、微软、英特尔、华为、阿里等高科技公司都投入大量资源，IBM在这方面发声较多，今年1月，IBM发布全球首个独立商用量子计算机IBM Q。学界，包括美国、英国、欧洲多国都非常重视量子计算的研究。
国内，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。2017年，团队与中科大潘建伟和朱晓波团队、中科院物理所郑东宁团队、福州大学郑仕标教授等合作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记录，使得我国在量子计算机研究领域进入国际第一梯队。
此前，中国科技大学的研究团队创造了操纵12个超导量子比特实现纠缠的记录。如今，这个数字被刷新，人类能够同时精确操控20个超导量子比特进行工作。
见证人类量子计算研究又迈进一步的187ns
在浙江大学超导量子计算和量子模拟团队的实验室，实验团队完成了超导量子比特芯片设计、平台搭建、测控工作。据论文作者之一的宋超介绍，整个房间就是一台量子计算机，它的“大脑”在一个直径80厘米的圆柱形大“冰箱”的底部。
要看到1平方厘米的“大脑”，需要借助显微镜。20个量子比特，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。论文的另一作者，也是芯片的设计者之一张叙说：“这是我们实验室迭代的第四代电路设计方案，目标是让任意两个量子比特之间都能进行直接‘沟通’，实现全局纠缠。”
全局纠缠，通俗解释就是让所有量子比特协同工作。多方纠缠态对于量子信息科学中的众多应用至关重要。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。在完全可控和可扩展的量子平台上生成和验证多方纠缠仍然是一个突出的挑战。
论文的另一作者，去年获得博士学位并加盟中科院物理所的许凯说：“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，那就时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。”
实验团队利用这一芯片生成并标定了18比特的全局纠缠的GHZ（Greenberger-Horne-Zeilinger）态，以及20比特的薛定谔猫态。宋超表示：“我们确实看到了在经验世界中看不到的现象，用更形象就是——一只由20个人造原子构成的‘猫’，薛定谔猫态。”
图：在实验控制条件下，20个人造原子集体从零时刻起跑后的相干演化动态过程的捕捉。不到200纳秒的过程中，人造原子的集体状态历经多次变身，在不同时间点出现有不同组份数（对应球中红色圈的数量）的薛定谔猫态，最终形成2组份（同时存在两种相反状态）的薛定谔猫态。A和B图分别为理论预测和实验观察结果。C图为根据建议在新视角下对5组份薛定谔猫态的重新描绘，球中蓝色区域的出现更有力地证明了量子纠缠的存在。
在短短187 ns（纳秒）之内（大约是人眨一下眼所需时间的百万分之一），20个人造原子从“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。论文标题中，团队用了“薛定谔猫态”来描述捕捉到的现象。操控这些量子比特生成全局纠缠态，标志着团队能够真正调动起这些量子比特。
这187ns，见证了人类在量子计算的研究道路上又迈进了一步。
量子计算商用还有哪些难题？
量子计算是上世纪80年代，诺贝尔奖获得者理查德·费曼等人提出构想，基于两个奇特的量子特性——量子叠加和量子纠缠构建量子计算。据悉，可操纵的量子比特数量增加将会让量子计算的运算能力实现指数级增长，从而远超传统电子计算机的性能。
因此，量子计算被认为能够解决当前经典计算系统无法处理的过于复杂的问题。量子计算的未来应用包括寻找新的方法模拟金融数据，隔离关键的风险因素以进行更好的投资，或者找到跨系统的最佳路径，以实现超高效的物流和优化交付的运营等。
不过在把量子计算商业化的过程中，仍面临不少挑战。比如，IBM Q就要解决持续保持用于执行量子计算的量子位的质量的挑战。这是因为量子比特强大但又脆弱，通常在100微秒内（对于最先进的超导量子比特）就会失去其特殊的量子特性，部分原因在于互连机械的振动，温度波动和电磁波的环境噪声。
另外，我们此前也报道过业界也有一些不同的声音，虽然学界和工业界都在开发各种固态量子系处理器，但到目前为止，哪种通用量子计算技术在商业上可行还没有达成共识。固态量子处理器基于数十年来硅和大规模集成的经验，但要求将芯片冷却到接近绝对零度，并采用积极的纠错技术来保持量子位的正常运行。
IonQ CEO兼联合创始人Chris Monroe认为，如果无法改善固态量子计算处理器系统中目前已经展示出的2%的误码率，就需要太多的量子比特来进行纠错，而只有少量的量子比特用于逻辑运算。由于量子位差异和串扰增加，误码率也随着量子位的增加而趋于上升，这就需要更多的纠错量子位。这是一个非常难的问题。