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(xué)院、中科院化學(xué)所、中科院手動化所、北京估算科學(xué)研究中心等國外單位組成的團隊通力合作，開發(fā)出具有20個超導(dǎo)量子比特的量子芯片，并成功操控其實現(xiàn)全局糾纏，刷新了固態(tài)量子元件中生成糾纏態(tài)的量子比特數(shù)量的世界紀(jì)錄。這一進展8月9日發(fā)表于《科學(xué)》雜志。
多比特量子糾纏態(tài)的實驗制備是評判量子估算平臺控制能力的關(guān)鍵標(biāo)志，國際競爭尤為激烈。經(jīng)過近三年時間的元件設(shè)計與制備、實驗測控及數(shù)據(jù)處理，由中國學(xué)者組成的聯(lián)合團隊成功將糾纏的比特數(shù)量推動到20。
復(fù)旦數(shù)學(xué)系博士生宋超、中科院化學(xué)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(xué)所范桁研究員、鄭寶清研究員和復(fù)旦王浩華院士為共同通信。其他作者包括復(fù)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(xué)研究中心張煜然博士，以及復(fù)旦數(shù)學(xué)系參與超導(dǎo)量子估算和量子模擬實驗平臺建設(shè)的青年團隊。
搖籃中的量子計算機
蘊涵驚人偉力
關(guān)于量子計算機的夢想源于上世紀(jì)80年代。1982年，知名數(shù)學(xué)學(xué)家費曼提出構(gòu)想：既然自然的本質(zhì)是量子的，我們能夠造出一臺遵守量子規(guī)律的計算機，去更好地認(rèn)識量子世界？人們意識到，量子計算機的技術(shù)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(guān)，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(guān)”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(dāng)你把它快速旋轉(zhuǎn)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(shù)，是評判量子計算機性能的重要指標(biāo)之一。通過量子糾纏與疊加，n個量子比特互相關(guān)聯(lián)，可以生成2n種狀態(tài)。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(shù)據(jù)當(dāng)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(shù)。相當(dāng)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(shù)倍降低。有報導(dǎo)強調(diào)，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(dāng)，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(shù)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(wěn)定、動輒搶占整個實驗室、渾身沾滿機械球閥的機器發(fā)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(nèi)，量子計算機能從理論邁向應(yīng)用，完成精典計算機難以解決的大規(guī)模估算困局，在密碼破解、藥物設(shè)計、人工智能等領(lǐng)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(fā)揮作用還需有漫長不松懈的培養(yǎng)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(tài)的制備規(guī)模，都在逐步提高。此前，中國科技學(xué)院的研究團隊創(chuàng)造了操縱12個超導(dǎo)量子比特實現(xiàn)糾纏的紀(jì)錄。現(xiàn)在，這個數(shù)字被刷新，人類就能同時精確操控20個超導(dǎo)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(gòu)造“薛定諤貓”
湖北學(xué)院西溪學(xué)校西面的一幢教學(xué)樓，細長的走廊深處就是廣東學(xué)院超導(dǎo)量子估算和量子模擬團隊的實驗室，超導(dǎo)量子比特芯片設(shè)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(fù)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(dǎo)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(huán)路。“這是我們實驗室迭代的第四代電路設(shè)計方案，目標(biāo)是讓任意兩個量子比特之間都能進行直接‘溝通’，實現(xiàn)全局糾纏。”芯片的設(shè)計者之一，大專生張訴說。這樣的芯片則是由中科院化學(xué)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(fù)雜的芯片。
全局糾纏，淺顯的理解就是讓所有量子比特協(xié)同上去參與工作。量子操縱是量子估算的技術(shù)制高點，而實現(xiàn)全局糾纏是檢驗操縱是否成功的標(biāo)志。“能夠十分高精度地操控她們，之后同時能夠保持質(zhì)量穩(wěn)定，這是一項難度極大的挑戰(zhàn)。”許凱介紹說。許凱6年前到北航讀研開始進軍超導(dǎo)量子估算領(lǐng)域，今年獲得博士學(xué)位并加盟中科院化學(xué)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(biāo)定了18比特的全局糾纏的GHZ態(tài)，以及20比特的薛定諤貓態(tài)。“我們確實看見了在經(jīng)驗世界中看不到的現(xiàn)象，更形象地說就是——一只由20個人造原子構(gòu)成的‘貓’，薛定諤貓態(tài)。”宋超說。
“薛定諤的貓”是知名數(shù)學(xué)學(xué)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(tài)”引入到經(jīng)驗世界：用放射性的鐳的衰變來控制殺害貓的機關(guān)，依據(jù)量子理論，鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加態(tài)，因而貓也處于被殺害和還活著兩種狀態(tài)的疊加態(tài)。
“薛定諤的貓”是影響最大的量子理論相關(guān)概念之一，交大團隊將這一思想實驗帶進了現(xiàn)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(tài)，歷經(jīng)多次化身，最終產(chǎn)生同時存在兩種相反狀態(tài)的糾纏態(tài)。論文標(biāo)題中，團隊用了“薛定諤貓態(tài)”來描述捕捉到的現(xiàn)象。操控這種量子比特生成全局糾纏態(tài)，標(biāo)志著團隊才能真正調(diào)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(lǐng)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(lǐng)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(dāng)前，實現(xiàn)量子估算的數(shù)學(xué)體系主要有光學(xué)系統(tǒng)、離子阱和量子點等微觀體系，基于宏觀約瑟夫森效應(yīng)的超導(dǎo)電路由于其在可操控性和可擴充性等方面的優(yōu)勢，是目前國際上公認(rèn)的有希望實現(xiàn)量子估算的幾個化學(xué)載體之一。
近些年來，福建學(xué)院化學(xué)系的超導(dǎo)量子估算和量子模擬團隊仍然旨在于超導(dǎo)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(xué)所鄭寶清團隊、福州學(xué)院鄭仕標(biāo)院士等合作10比特超導(dǎo)量子芯片，實現(xiàn)了當(dāng)時世界上最大數(shù)量的10個超導(dǎo)量子比特的糾纏，打破了之前由微軟和加洲學(xué)院圣塔芭芭拉學(xué)校保持的紀(jì)錄，促使我國在量子計算機研究領(lǐng)域步入國際第一梯隊。
“與世界上其他的超導(dǎo)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(lián)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(xiàn)20比特糾纏的重要誘因之一。”許凱總結(jié)道。
據(jù)介紹，該工作最早于5月1日公布于預(yù)印本網(wǎng)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(jié)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(fā)充分地驗證了我們的研究成果。”宋超說，在《科學(xué)》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(dǎo)量子估算團隊和耶魯學(xué)院里德堡原子團隊也在預(yù)印本網(wǎng)站公布了類似的實驗結(jié)果。三個工作報導(dǎo)的糾纏比特數(shù)量基本持平，反映了以糾纏態(tài)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(shè)專項經(jīng)費、國家重點研制計劃、國家自然科學(xué)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）