中國科學家打造全球首個光量子模擬機，量子計算能力終將超越傳統

昨日上午，在位於上海的中科院量子信息和量子科技創新研究院舉行了一場新聞發布會，正式對外發布了一個重磅消息：

來自中國科學技術大學的潘建偉教授，及其同事陸朝陽、朱曉波等，與浙江大學王浩華教授研究組，以及來自中科院的專家們聯合攻關，成功研發世界首個量子模擬機，並首次在超導電路中對10個量子比特實現了精準操控。

圖 | 5月3日新聞發布會現場

該量子模擬機的突破在於，它把量子計算速度比經典計算機快的理論進一步的推向現實。潘建偉教授表示，這是歷史上第一台超越早期經典計算機的基於單光子的量子模擬機，為最終實現超越經典計算能力的量子計算奠定了基礎。

發展量子計算的關鍵在於如何通過高精度、高效率的量子態製備與量子比特間相互作用的控制技術，實現規模化量子比特的相干操控。

目前，國際上對於量子計算技術的研究主要分為光子、超冷原子和超導電路三個體系。我國科學家在光子和超導電路上取得的重大突破，對於量子計算機的研究與應用具有標誌性意義。

圖 | 單光子量子模擬機結構

而超導電路實現量子計算的技術路線具有可擴展性的原因在於，在超導電路中，通過電流疊加產生量子比特，而隨著硅基製造技術的發展，在單個晶元上將能產生更多的量子比特。

在最新的研究工作中，潘建偉教授領導的團隊設計了一種包含10個量子比特的超導電路。其中，量子比特由銀製成，每個間隔半毫米，被固定在鍍鋁的藍寶石基板上。這些量子比特被作為非線性LC振蕩器，圍繞匯流排諧振器呈圓形排列（如下圖）。

圖 | 該量子模擬機的偽色照片。標記為1-10的是超導量子比特，中央標記為B的是匯流排諧振器，紅色和藍色結構為單個量子比特的控制線路

系統的大致工作原理是，通過對量子比特施加能量非常低的微波脈衝，讓它們進入疊加態，具體表現為兩種不同振幅的振蕩電流。為了避免在這一階段產生干擾，每個量子比特都被設置為不同的振蕩頻率。

然而，如果量子比特之間要產生交互作用，就必須處於相同頻率下。這時，被10個量子比特所環繞的匯流排諧振器就開始發揮作用了：它允許量子比特相互傳遞能量，而不會吸收任何能量。

研究團隊成員、來自浙江大學的王浩華教授表示，上述過程的最終結果就是實現量子糾纏，或者用他的話來說，叫做「某種神奇的交互作用」。

為了進一步確定量子比特到底「糾纏」到何種程度，研究團隊使用了一種叫做「量子層析」的方法來測量量子糾纏的概率，最後得出的結論是：正確狀態下的分布概率超過50%，確實處量子糾纏態，而且進入量子糾纏態的速度也非常快。

在中國團隊取得這項重大進展之前，全球學術界在該領域的紀錄是2015年在超導電路中實現9個量子比特的精準操控。該研究團隊由加州大學聖芭芭拉分校的John Martinis教授領銜，合作方包括谷歌與NASA。

圖 | John Martinis教授領銜開發的9量子比特超導電路量子計算裝置

但該團隊並沒有使用與中國同行們類似的系統結構，而是將量子比特一字排開、左右相連。這樣做的好處是可以在系統中嵌入一種由他們自己開發的、名為「表層編碼」（surface code）的糾錯機制。

糾錯能力對於任何大型量子計算機來說都至關重要，因為需要依靠這種糾錯能力來克服量子態受外部擾動的退相干機制。通過引入額外的量子比特來實現交叉檢查和糾錯需要依靠每一個門操作的高正確性。不然，錯誤則會越積越多，直至不可控制。

John Martinis教授和他的團隊就曾證實，當兩量子比特門的一致性高於表層編碼需求（單次錯誤率低於1%）時，超導量子計算機理論上是可以擴展的。

Martinis也對潘建偉和同事們的工作表示了高度讚賞，尤其是對他們所實現的快速糾纏以及「優秀的單量子比特操作」。

但Martinis同時表示，目前還無法得知中國的研究團隊究竟能取得多大的突破，這個問題需要等到潘建偉團隊全面的測量其單量子比特門或者糾纏門的一致性後才能下結論。

中國研究團隊成員王浩華教授透露，他們正在為匯流排集中架構開發糾錯機制。他同時表示，除了要努力提高單個邏輯門的正確性以超過相應的閾值之外，精密的操控多個糾纏的量子比特技術也是非常重要的。「我們實現了量子比特間的普遍耦合，」他說。「這種方法已被證明行之有效。」

圖 | 新聞發布會上展示的超導量子計算機路線圖

但王浩華教授也承認，在可預見的未來，建立一個通用型量子計算機，並以遠超經典計算機的速度實現任何量子演算法這一目標是不現實的，因為這將需要數以百萬計的量子比特。

更切實的目標是開發一個包含50個量子比特的模擬機，在模擬小分子行為和其他量子系統行為方面，其性能可以超過傳統計算機。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！