中國科研團隊首次實現20個超導量子全局糾纏

　　來源：科技日報

　　近日，中國科研團隊在量子計算領域再次創造世界紀錄！浙江大學、中科院物理所、中科院自動化所以及北京計算科學研究中心等國內單位合作，開發出具有20個超導量子比特的量子晶元，並成功實現對其操控及全局糾纏！

　　又一項世界紀錄！

　　繼去年潘建偉團隊實現18個光量子比特糾纏後，近日，由浙江大學、中科院物理所、中科院自動化所、北京計算科學研究中心等國內單位共同合作，再次在量子計算領域刷新了又一項世界紀錄——開發了具有20個超導量子比特的量子晶元，並成功操控，實現了全局糾纏！

　　這一重磅成果刊登在了國際頂級雜誌《Science》。

　　這項工作有多厲害？

　　只需要在短短187納秒之內（相當於人眨眼所需時間的百萬分之一），20個人造原子從「起跑」時的相干態，歷經多次「變身」，最終形成同時存在兩種相反狀態的糾纏態。

20比特量子晶元示意圖

　　正如人民日報所評論：

　　操控這些量子比特生成全局糾纏態，標誌著團隊能夠真正調動起這些量子比特。這「璀璨」的187納秒，見證了人類在量子計算的研究道路上又邁進了一步。

　　20 個人造原子的 「薛定諤貓」

　　量子計算的成功依賴於糾纏大規模系統的能力。研究人員開發了各種各樣的平台，其中以超導量子比特和捕獲原子為基礎的架構是最先進的。

　　在這樣的量子系統上證明糾纏的可控生成和檢測是大規模量子處理器發展的重要方向。

　　然而，在完全可控和可擴展的量子平台上生成和驗證多比特量子糾纏態仍然是一個突出的挑戰。

　　本研究報告了在一個量子處理器上生成18比特的全局糾纏的GHZ態，以及20比特的薛定諤貓態。

　　通過設計單軸扭曲哈密頓量，量子比特系統一旦初始化，就會連貫地演化為多分量原子薛定諤貓態 - 即原子相干態的疊加，包括 GHZ 態在預期的特定時間間隔的疊加。

　　研究人員表示，這種在固態平台上的方法不僅可以激發人們對探索量子多體系統基礎物理的興趣，而且還能促進量子計量和量子信息處理的實際應用的發展。

　　下圖顯示了超導量子處理器的結構機器基準特徵。

圖1：超導量子處理器及其基準特性

　　（A）由中央匯流排諧振器B（灰色）互連的假彩色電路圖像顯示20個超導量子比特（通過順時針方向從1到20標記的青色線條）。每個量子比特都有自己的磁通偏置線（藍色）用於Z控制，16個量子比特具有單獨的微波線（紅色）用於XY控制，而Q4，Q7，Q14和Q17共享相鄰量子比特的微波線。每個量子比特都有自己的讀出諧振器（綠色），它耦合到兩條傳輸線中的一條（橙色），以便同時讀出。還顯示了代表性的量子比特-匯流排諧振器耦合電容器的放大視圖，其中所示的點處具有不同的電容值，以及測量設置的說明性示意圖。

　　（B）通過傳輸線的信號頻譜，|S21|，其中量子比特讀出諧振器的響應在下降時可見。

　　（C）Q20的交換光譜，通過將Q20激勵到|1i然後測量其作為量子比特頻率和延遲時間函數的|1i-state概率（彩色條）而獲得。為消除測量誤差而校正的概率數據（27）來自由垂直白色條紋分開的兩個連續掃描。在掃描期間，其他19個量子比特在Z控制下按頻率進行分類，可以通過人字形圖案進行識別，這是由於Q20與匯流排諧振器B介導的量子比特之間的相干能量交換導致的。放大視圖是Q20和B之間的直接能量交換。

　　這個超導量子處理器（圖1）由20個頻率可調的transmon qubit組成，量子比特通過各自的讀出諧振器（圖1 B）進行檢測。

圖2：18個量子比特的GHZ態

　　（A）用於產生和表徵N-qubit GHZ態的脈衝序列。

　　（B）N-qubit GHZ奇偶校驗振蕩。對於每個數據點（藍色圓圈），通過重複脈衝序列大約30×2^N次，來找到原始的2^N佔有幾率，然後應用讀出校正來消除測量誤差（27），之後使用最大似然估計來驗證佔有幾率並計算奇偶校驗值P。為了估計誤差條（error bars），我們將完整的數據集劃分為幾個子群，每個子群包含大約5×2^N個樣本，並且誤差條對應於從這些子群計算的那些標準偏差。紅線是正弦曲線擬合，條紋幅度對應於|r00。。。0，11。。。1|。對於N=16到18，在整個γ∈[-π/2，π/2]範圍內，如果採樣尺寸為30×2^N時，則重複測量花費的時間過長。用灰線連起來的灰點來自減小了~2^N採樣尺寸的實驗數據，沒有誤差條，作為視覺引導指示正確的N分段振蕩周期。

圖3：多組分原子薛定諤貓態在動態過程中產生20個量子位元

　　圖3顯示在實驗控制條件下，20 個人造原子集體從零時刻起跑後的相干演化動態過程的捕捉。

　　不到 200 納秒的過程中，人造原子的集體狀態歷經多次變身，在不同時間點出現有不同組份數（對應球中紅色圈的數量）的薛定諤貓態，最終形成 2 組份（同時存在兩種相反狀態）的薛定諤貓態。

　　A 和 B 圖分別為理論預測和實驗觀察結果。C 圖為根據建議在新視角下對 5 組份薛定諤貓態的重新描繪，球中藍色區域的出現更有力地證明了量子糾纏的存在。

　　在短短 187 納秒之內（僅為人眨一下眼所需時間的百萬分之一），20 個人造原子從 「起跑」 時的相干態，歷經多次 「變身」，最終形成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。操控這些量子比特生成全局糾纏態，標誌著團隊能夠真正調動起這些量子比特。

　　搶佔「量子霸權」制高點，

　　糾纏態製備是關鍵

　　由於量子信息技術的潛在價值，歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源，開展國家級的協同攻關。其中，歐盟在2016年宣布啟動量子技術旗艦項目；美國國會則於6月27日正式通過了「國家量子行動計劃」（National Quantum Initiative，NQI），確保自己不會落後其他發展量子技術的國家。

　　國外高科技巨頭，比如谷歌、微軟、IBM等也紛紛強勢介入量子計算研究，並且頻頻宣告進步。

　　尤其是谷歌。谷歌從2014年開始研究基於超導的量子計算機。去年3月，谷歌宣布推出 72 量子比特的量子計算機，並實現了 1% 的低錯誤率；去年5月，谷歌在《自然-物理學》發表文章，描述了從隨機量子電路的輸出中採樣位元串（bit-strings）的任務，這可以被認為是量子計算機的「hello world」程序。

　　在另一篇發表於Science的論文《用超導量子比特演示量子霸權的藍圖》（A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits）中，谷歌闡述了量子霸權的藍圖，並首次實驗證明了一個原理驗證的版本。

　　不過，IBM、英特爾、谷歌等宣布實現的量子計算機原型，這些量子比特並沒有形成糾纏態。單純比拼物理量子比特數，這一優勢在應用層面尚無太大意義。

　　前文也說了，多個量子比特的相干操縱和糾纏態製備是發展可擴展量子信息技術，特別是量子計算的最核心指標。為什麼？

　　經典計算機是通過一串二進位代碼 0 和 1 來編碼和操縱信息。量子比特所做的事情在本質上並沒有區別，只是它們能夠處在 0 和 1 的疊加態下。換而言之，當我們測量量子比特的狀態時，會得到一個一定概率的 0 或 1 。

　　為了用許多這樣的量子比特執行計算任務，它們必須持續地處在一種相互關聯的疊加態下，即所謂的量子相干態。這些量子比特處於糾纏之中，一個比特的變化能夠影響到剩下所有的量子比特。因此，基於量子比特的運算能力將遠遠超過傳統比特。

　　傳統電子計算機的運算能力隨著比特位的增加呈線性增長，而每增加一個量子比特位，則有可能使量子計算機的運算能力加倍（呈指數增長）。這也就是為什麼 5 量子比特位和 50 量子比特位的量子計算機有天壤之別。

　　不過，真正重要的不僅僅是有多少個量子比特（這甚至不是主要因素），而是量子比特的性能好壞，以及演算法是否高效。

　　五光子、六光子、十光子

　　到18個光量子，再到20個超導量子，

　　多粒子糾纏一直引領世界

　　多粒子糾纏的操縱作為量子計算的技術制高點，一直是國際角逐的焦點。在光子體系，潘建偉團隊在國際上率先實現了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏，一直保持著國際領先水平。

　　在超導體系，2015年，谷歌、美國航天航空局和加州大學聖芭芭拉分校宣布實現了9個超導量子比特的高精度操縱。這個記錄在2016年底被中國科學家團隊打破：潘建偉、朱曉波、王浩華等自主研發了10比特超導量子線路樣品，通過發展全局糾纏操作，成功實現了當時世界上最大數目的超導量子比特的糾纏和完整的測量。

　　進一步，研究團隊利用超導量子電路，演示了求解線性方程組的量子演算法，證明了通過量子計算的並行性加速求解線性方程組的可行性。相關成果也發表於國際權威期刊《物理評論快報》。

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