中国学者量子计算研究新进展 187纳秒见证纠缠态奇迹

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  论文的其中两位同去第一作者宋超(左)和许凯在量子计算实验平台边。 卢绍庆 摄

  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战略公司合作 ,开发出具有20个超导量子比特的量子芯片,并成功操控真是现全局纠缠,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纪录。这名 进展8月9日发表于《科学》杂志。

  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,国际竞争尤为激烈。经过近两年时间的器件设计与制备、实验测控及数据处理,由中国学者组成的联合团队成功将纠缠的比特数目推进到20。

  浙大物理系博士生宋超、中科院物理所许凯副研究员和博士生李贺康为论文同去第一作者。中科院物理所范桁研究员、郑东宁研究员和浙大王浩华教授为同去通讯。或多或少作者包括浙大王大伟教授、朱诗尧院士,中科院自动化所蒿杰研究员、冯卉助理研究员,北京计算科学研究中心张煜然博士,以及浙大物理系参与超导量子计算和量子模拟实验平台建设的青年团队。

  摇篮中的量子计算机

  带有惊人伟力

  关于量子计算机的梦想结束了英语 上世纪200年代。1982年,著名物理学家费曼提出设想:既然自然的本质是量子的,我们我们我们我们 还后能 创造伟大的发明一台遵循量子规律的计算机,去更好地认识量子世界?我们我们我们我们 意识到,量子计算机的技术一旦心智心智成长期的句子的句子 期期 图片 的句子图片 图片 ,它的运算能力将远远超越经典计算机。

  计算机使用“0”和“1”进行信息存储与处理。在经典计算机里,有有有十几次 比特就如有有有十几次 普通开关,或0或1。量子计算机则详细不同,或多或几瓶子纠缠与叠加,有有有十几次 “量子开关”还后能 同去代表0和1,我们我们我们我们 称之为量子比特。想象一下,一枚摆在桌上静止的硬币,你必须都看它的正面或背面;当你把它快速旋转起来,你都看的既是正面,又是背面。于是,一台量子计算机就像或多或少硬币同去翩翩起舞。

  量子比特数,是衡量量子计算机性能的重要指标之一。通过量子纠缠与叠加,n个量子比特相互关联,还后能 生成2n种状态。也就说 说,有有有十几次 带有n个比特的经典存储器还后能 存储2n个或多或少数据当中的任意有有有十几次 ,或多或少它是量子存储器,则还后能 同去存储2n个数。最少2n个经典计算机的CPU同去工作。每增加有有有十几次 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200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,是今天经典台式机效率的一万倍。我们我们我们我们 相信,一旦量子比特数达到200以上,它就能在处理或多或少特定问题图片时展现超越超级计算机的运算能力。

  人类差过多用了70年的时间,见证了经典计算机从笨重又不稳定、动辄地处整个实验室、浑身布满机械阀门的机器发展到便携的当事人电脑、智能手机;但还有或多或少经典计算机这麼甚至无法完成的运算。我们我们我们我们 详细有理由期待,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处理的大规模计算问题图片,在密码破解、药物设计、人工智能等领域大显身手。

  然而,在澎湃的想象身前,实验室中的原型机仍像摇篮中的婴儿,到其长大成人发挥作用还需有漫长不懈怠的培养过程。近年来,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,也有 稳步提升。此前,中国科技大学的研究团队创造了操纵1有有有十几次 超导量子比特实现纠缠的纪录。如今,这名 数字被刷新,人类还后能 同去精确操控20个超导量子比特进行工作。

20比特量子芯片示意图。

  187纳秒、20当事人造原子

  构造“薛定谔猫”

  浙江大学西溪校区西面的一幢教学楼,狭长的过道深处就说 浙江大学超导量子计算和量子模拟团队的实验室,超导量子比特芯片设计、平台搭建、测控工作也有 这里完成。拔地而起的钢架,复杂的管线、密集叠放的电路板、嗡嗡作响的制冷机……博士生宋超介绍道,整个房间就说 一台量子计算机,它的“大脑”就在有有有十几次 直径200厘米的圆柱形大“冰箱”的底部。

  借促进显微镜,这1平方厘米的“大脑”——超导量子比特芯片露出真容。20个量子比特,均匀分布于中心谐振腔的符近,犹如由中心枢纽贯通的各个支路。“这是我们我们我们我们 实验室迭代的第四代电路设计方案,目标是让任意有有有十几次 量子比特之间都能进行直接‘沟通’,实现全局纠缠。”芯片的设计者之一,本科生张叙说。那我的芯片则是由中科院物理所李贺康博士制备的,他在近期作为博士后加盟浙大,有望在浙大微纳加工中心做出更复杂的芯片。

  全局纠缠,通俗的理解就说 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不是成功的标志。“还后能 非常高精度地操控我们我们我们我们 ,或多或少同去还能保持质量稳定,这是一项难度极大的挑战。”许凯介绍说。许凯6年前到浙大读研结束了英语 涉足超导量子计算领域,去年获得博士学位并加盟中科院物理所结束了英语 组建当事人的实验室。

  实验团队利用这名 芯片生成并标定了18比特的全局纠缠的GHZ态,以及20比特的薛定谔猫态。“我们我们我们我们 真是都看了在经验世界中看必须的问题图片,更形象地说就说 ——一只由20当事人造原子构成的‘猫’,薛定谔猫态。”宋超说。

  “薛定谔的猫”是著名物理学家、量子理论奠基者之一薛定谔提出的有有有十几次 思想实验,他用某种极为通俗又我能 印象深刻的最好的最好的办法 ,把量子世界中的“叠加态”引入到经验世界:用放射性的镭的衰变来控制杀死猫的机关,根据量子理论,镭地处衰变和这麼衰变某种状态的叠加态,或多或少猫也地处被杀死和还活着某种状态的叠加态。

  “薛定谔的猫”是影响最大的量子理论相关概念之一,浙大团队将这名 思想实验带进了现实。在短短187纳秒,也就说 人眨一下眼所需时间的百万分之一的瞬间里,20当事人造原子从“起跑”时的相干态,历经多次变身,最终形成同去地处某种相反状态的纠缠态。论文标题中,团队用了“薛定谔猫态”来描述捕捉到的问题图片。操控哪些地方地方量子比特生成全局纠缠态,标志着团队还后能 真正调动起哪些地方地方量子比特。

  正是这“璀璨”的187纳秒,见证了人类在量子计算的研究道路上又迈进了一步。

  竞逐热点领域

  我国进入量子计算机研究第一梯队

  量子计算机的研发是国际科技竞争的热点领域。谷歌、IBM、微软、英特尔、华为、阿里等高科技公司都为此投入几瓶研究力量。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或多或少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十几次 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无缘无故 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战略公司合作 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,打破了那我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。

  “与世界上或多或少的超导量子芯片相比,我们我们我们我们 研发的芯片拥有有有十几次 多显著特点,那就说 所有比特之间还后能 进行相互连接,这还后能 提升量子芯片的运行效率,也是我们我们我们我们 还后能 率先实现20比特纠缠的重要意味 之一。”许凯总结道。

  据介绍,该工作最早于5月1日签署于预印本网站。第四天,团队就收到了一封来自英国教授的邮件,对实验结果表示了赞赏。“他在信中提供了很好的研究建议,我们我们我们我们 用他的最好的最好的办法 补充了实验,更加充分地验证了我们我们我们我们 的研究成果。”宋超说,在《科学》杂志的论文中,研究团队特意致谢了这位素未谋面的英国教授。

  5月14日,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签署了类事的实验结果。有有有十几次 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几瓶子比特相干操控是目前努力的主要方向。

  本研究得到了浙大“双一流”建设专项经费、国家重点研发计划、国家自然科学基金与生科院重点研究计划的支持。(记者 曾福泉 通讯员 涵冰)

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