論文的其中兩位共同第一作者宋超（左）和許凱在量子估算實驗平臺邊。盧紹慶攝
山西學院、中科院化學所、中科院手動化所、北京估算科學研究中心等國外單位組成的團隊通力合作，開發出具有20個超導量子比特的量子芯片，并成功操控其實現全局糾纏，刷新了固態量子元件中生成糾纏態的量子比特數量的世界紀錄。這一進展8月9日發表于《科學》雜志。
多比特量子糾纏態的實驗制備是評判量子估算平臺控制能力的關鍵標志，國際競爭尤為激烈。經過近三年時間的元件設計與制備、實驗測控及數據處理，由中國學者組成的聯合團隊成功將糾纏的比特數量推動到20。
復旦數學系博士生宋超、中科院化學所許凱副研究員和博士生李賀康為論文共同第一作者。中科院化學所范桁研究員、鄭寶清研究員和復旦王浩華院士為共同通信。其他作者包括復旦王大偉院士、朱詩堯教授，中科院手動化所蒿杰研究員、馮卉助理研究員，上海估算科學研究中心張煜然博士，以及復旦數學系參與超導量子估算和量子模擬實驗平臺建設的青年團隊。
搖籃中的量子計算機
蘊涵驚人偉力
關于量子計算機的夢想源于上世紀80年代。1982年，知名數學學家費曼提出構想：既然自然的本質是量子的，我們能夠造出一臺遵守量子規律的計算機，去更好地認識量子世界？人們意識到，量子計算機的技術一旦成熟，它的運算能力將遠遠趕超精典計算機。
計算機使用“0”和“1”進行信息儲存與處理。在精典計算機里，一個比特就如一個普通開關，或0或1。量子計算機則完全不同，因為量子糾纏與疊加，一個“量子開關”可以同時代表0和1，我們稱之為量子比特。想像一下，一枚擺在桌上靜止的硬幣，你只能看見它的正面或反面；當你把它快速旋轉上去，你看見的既是正面，又是反面。于是，一臺量子計算機如同許多硬幣同時翩然蹁躚。
量子比特數，是評判量子計算機性能的重要指標之一。通過量子糾纏與疊加，n個量子比特互相關聯，可以生成2n種狀態。也就是說，一個富含n個比特的精典儲存器可以儲存2n個可能數據當中的任意一個，假如它是量子儲存器，則可以同時儲存2n個數。相當于2n個精典計算機的CPU同時工作。每降低一個量子比特，量子計算機的運算能力將以指數倍降低。有報導強調，一臺30個量子比特的量子計算機的估算能力和一臺每秒萬億次浮點運算的精典計算機水平相當，是明天精典臺式機速率的一萬倍。人們相信，一旦量子比特數達到50以上，它能夠在處理個別特定問題時顯露趕超超級計算機的運算能力。
人類差不多用了70年的時間，見證了精典計算機從笨重又不穩定、動輒搶占整個實驗室、渾身沾滿機械球閥的機器發展到便攜的個人筆記本、智能手機；但還有許多精典計算機很難甚至難以完成的運算。我們完全有理由期盼，在未來幾六年內，量子計算機能從理論邁向應用，完成精典計算機難以解決的大規模估算困局，在密碼破解、藥物設計、人工智能等領域大顯身手。
但是，在澎湃的想像面前，實驗室中的靶機仍像搖籃中的小孩，到其長大成人發揮作用還需有漫長不松懈的培養過程。近些年來，不論是單個量子比特的相干性、量子門的保真度，還是量子芯片的集成度、全局糾纏態的制備規模，都在逐步提高。此前，中國科技學院的研究團隊創造了操縱12個超導量子比特實現糾纏的紀錄。現在，這個數字被刷新，人類就能同時精確操控20個超導量子比特進行工作。
20比特量子芯片示意圖。
187毫秒、20個人造原子
構造“薛定諤貓”
湖北學院西溪學校西面的一幢教學樓，細長的走廊深處就是廣東學院超導量子估算和量子模擬團隊的實驗室，超導量子比特芯片設計、平臺搭建、測控工作都在這兒完成。拔地而起的鋼架，紛繁復雜的管道、密集疊放的電路板、嗡嗡翻飛的制熱機……博士生宋超介紹道，整個屋子就是一臺量子計算機，它的“大腦”就在一個半徑80分米的圓錐形大“冰箱”的頂部。
利用于顯微鏡，這1平方分米的“大腦”——超導量子比特芯片漏出真容。20個量子比特，均勻分布于中心諧振腔的周邊量子計算和量子通訊量子計算和量子通訊，就像由中心樞紐貫通的各個環路。“這是我們實驗室迭代的第四代電路設計方案，目標是讓任意兩個量子比特之間都能進行直接‘溝通’，實現全局糾纏。”芯片的設計者之一，大專生張訴說。這樣的芯片則是由中科院化學所李賀康博士制備的，他在近日作為博士后加盟交大，有望在交大微納加工中心作出更復雜的芯片。
全局糾纏，淺顯的理解就是讓所有量子比特協同上去參與工作。量子操縱是量子估算的技術制高點，而實現全局糾纏是檢驗操縱是否成功的標志。“能夠十分高精度地操控她們，之后同時能夠保持質量穩定，這是一項難度極大的挑戰。”許凱介紹說。許凱6年前到北航讀研開始進軍超導量子估算領域，今年獲得博士學位并加盟中科院化學所開始成立自己的實驗室。
實驗團隊借助這一芯片生成并標定了18比特的全局糾纏的GHZ態，以及20比特的薛定諤貓態。“我們確實看見了在經驗世界中看不到的現象，更形象地說就是——一只由20個人造原子構成的‘貓’，薛定諤貓態。”宋超說。
“薛定諤的貓”是知名數學學家、量子理論奠基者之一薛定諤提出的一個思想實驗，他用一種極為淺顯又讓人印象深刻的方式，把量子世界中的“疊加態”引入到經驗世界：用放射性的鐳的衰變來控制殺害貓的機關，依據量子理論，鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加態，因而貓也處于被殺害和還活著兩種狀態的疊加態。
“薛定諤的貓”是影響最大的量子理論相關概念之一，交大團隊將這一思想實驗帶進了現實。在短短187毫秒，也就是人眨一下眼所需時間的百萬分之一的頓時里，20個人造原子從“起跑”時的相干態，歷經多次化身，最終產生同時存在兩種相反狀態的糾纏態。論文標題中，團隊用了“薛定諤貓態”來描述捕捉到的現象。操控這種量子比特生成全局糾纏態，標志著團隊才能真正調動起這種量子比特。
正是這“璀璨”的187毫秒，見證了人類在量子估算的研究公路上又邁向了一步。
角逐熱點領域
我國步入量子計算機研究第一梯隊
量子計算機的研制是國際科技競爭的熱點領域。微軟、IBM、微軟、英特爾、華為、阿里等高科技公司都因此投入大量研究力量。當前，實現量子估算的數學體系主要有光學系統、離子阱和量子點等微觀體系，基于宏觀約瑟夫森效應的超導電路由于其在可操控性和可擴充性等方面的優勢，是目前國際上公認的有希望實現量子估算的幾個化學載體之一。
近些年來，福建學院化學系的超導量子估算和量子模擬團隊仍然旨在于超導量子估算和量子模擬的實驗研究。2017年，團隊與中科大潘建偉和朱曉波團隊、中科院化學所鄭寶清團隊、福州學院鄭仕標院士等合作10比特超導量子芯片，實現了當時世界上最大數量的10個超導量子比特的糾纏，打破了之前由微軟和加洲學院圣塔芭芭拉學校保持的紀錄，促使我國在量子計算機研究領域步入國際第一梯隊。
“與世界上其他的超導量子芯片相比，我們研制的芯片擁有一個明顯特征，那就是所有比特之間都還能進行互相聯接，這就能提高量子芯片的運行效率，也是我們能否率先實現20比特糾纏的重要誘因之一。”許凱總結道。
據介紹，該工作最早于5月1日公布于預印本網站。第二天，團隊就收到了一封來自美國院士的電郵，對實驗結果表示了贊賞。“他在信中提供了挺好的研究建議，我們用他的方式補充了實驗，愈發充分地驗證了我們的研究成果。”宋超說，在《科學》雜志的論文中，研究團隊特意致謝了那位素未相熟的德國院士。
5月14日，日本IBM超導量子估算團隊和耶魯學院里德堡原子團隊也在預印本網站公布了類似的實驗結果。三個工作報導的糾纏比特數量基本持平，反映了以糾纏態制備為代表的多量子比特相干操控是目前努力的主要方向。
本研究得到了北航“雙一流”建設專項經費、國家重點研制計劃、國家自然科學基金和中科院重點研究計劃的支持。（記者曾安順通信員涵冰）