超導量子計算實驗領域取得新進展

最新 08-08

中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的超導量子實驗團隊，聯合中國科學院物理研究所范桁理論小組，在超導量子計算實驗領域取得新進展，在一個集成了24個量子比特的超導量子處理器上，通過對超過20個超導量子比特的高精度相干調控，實現了Bose-Hubbard 梯子模型多體量子系統的模擬。該研究成果於7月30日在線發表在國際期刊《物理評論快報》上。

超導量子計算被普遍認為是最有可能率先實現實用化量子計算的方案之一，因而備受關注。作為量子計算的基本單元——量子比特不同於非「0」即「1」的經典比特，可以處於「0」態和「1」態之間的所謂「量子相干疊加態」。當人們把量子疊加拓展到多量子比特體系，就自然導致了量子糾纏的概念。多個量子比特一旦實現了相干疊加，其代表的狀態空間將會隨著量子比特的數目指數增加。這也被認為是量子計算能夠有指數加速能力的根源所在。目前超導量子計算的核心目標正是如何同步地增加所集成的量子比特數目以及提升超導量子比特性能，從而能夠高精度相干操控更多的量子比特，實現對特定問題處理速度上的指數加速，並最終應用於實際問題中。

潘建偉、朱曉波等一直以來瞄準超導量子計算的上述核心目標，取得一系列進展。例如，在2019年初，在一維鏈結構12比特超導量子晶元上實現了最大規模的超導量子比特糾纏態12比特「簇態」的製備，保真度達到70％（Phys. Rev. Lett.122, 110501 (2019)），打破了之前創造的10個超導量子比特糾纏的紀錄。隨後，該團隊開創性地將超導量子比特應用到量子行走的研究中，為未來多體物理現象的模擬以及利用量子行走進行通用量子計算的研究奠定了基礎（Science364, 753 (2019)）。最近，團隊在准二維繫統連接性、讀取效率、操控串擾及精度等問題上反覆實驗和摸索，成功地將晶元結構從一維擴展到准二維，製備出包含24個比特的高性能超導量子處理器，首次在固態量子計算系統中，實現了超過20比特的高精度量子相干調控。

研究團隊以24比特超導量子處理器為平台，開展量子多體系統動力學問題的模擬研究，在超導量子晶元上實現了對Bose-Hubbard 梯子模型多體量子系統的模擬，觀察到了單激發和雙激發兩種模式下完全不同的獨特動力學過程，顯示了超導量子晶元作為量子模擬平台的強大應用潛力，對強關聯多體系統統計學特性研究有重要的指導意義，為利用多量子比特系統研究多體物理系統奠定了基礎。

朱曉波是負責該項工作實驗部分的通訊作者，范桁是負責理論部分的通訊作者。葉楊森（中國科大）、葛自勇（物理所）和吳玉林（中國科大）是文章的共同第一作者。

該研究工作得到國家自然科學基金委、科技部、中科院、安徽省、上海市科委、教育部等的支持。