中國(guó)量子計(jì)算機(jī)迎來(lái)突破性進(jìn)展，在國(guó)際地位如何呢？

近日，中國(guó)的量子計(jì)算機(jī)又迎來(lái)重要進(jìn)展。與世界上其他的超導(dǎo)量子芯片相比，我們研發(fā)的芯片擁有一個(gè)顯著特點(diǎn)，那就是所有比特之間都能夠進(jìn)行相互連接，這能夠提升量子芯片的運(yùn)行效率，也是我們能夠率先實(shí)現(xiàn) 20 比特糾纏的重要原因之一。

也就是說(shuō)，在其他國(guó)家的研究團(tuán)隊(duì)還在糾結(jié)如何增加芯片中的量子比特?cái)?shù)以及糾錯(cuò)算法時(shí)，我國(guó)科學(xué)家已經(jīng)可以用高量子比特芯片來(lái)做實(shí)際的研究了。

中科大：在 24 位量子比特量子芯片上施展“魔法”

來(lái)自中科大潘建偉研究團(tuán)隊(duì)的“Propagation and Localization of Collective Excitations on a 24-Qubit Superconducting Processor”，文章刊登于 2019 年 7 月 31 日的《物理評(píng)論快報(bào)》(Physics Review Letter)上。三位第一作者中有兩位來(lái)自中科大，另一位來(lái)自中科院北京國(guó)家凝聚態(tài)研究所。

中科大團(tuán)隊(duì)在文章中展示了他們?cè)?24 位量子比特量子芯片上施展的“魔法”。

研究團(tuán)隊(duì)選取了基礎(chǔ)物理中十分經(jīng)典的研究課題——“玻色-哈勃德模型(Bose-Hubbard Model)”。簡(jiǎn)單而言，這是一個(gè)基本粒子相互作用力的物理模型，研究對(duì)象是玻色子(自旋量子數(shù)為整數(shù)倍的微小粒子)，例如實(shí)驗(yàn)中使用的光子。

怎么來(lái)研究相互作用力?一般是在實(shí)驗(yàn)中將系統(tǒng)中某個(gè)玻色子的狀態(tài)改變，再觀察它以及其他玻色子狀態(tài)變化，并以此推出它們之間的相互作用力。

具體來(lái)說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)采用一塊 24 量子比特(Qubit)的量子芯片進(jìn)行試驗(yàn)，如圖所示，量子比特 Q1A~Q10A 以及 Q1B~Q10B 中的光子是實(shí)驗(yàn)中編碼和觀測(cè)的對(duì)象，它們之間由電容耦合在一起，那么這 20 個(gè)量子比特就形成了一個(gè) 2 x 10 的“梯子”。如果我們將其中一個(gè)光子置為激發(fā)態(tài)，即圖中的紅色球，它可能會(huì)引起旁邊三個(gè)光子的狀態(tài)變化，就像球從一個(gè)坑移動(dòng)到另一個(gè)坑一樣。

可以理解為，這就是一個(gè)看光子的激發(fā)態(tài)怎么爬梯的實(shí)驗(yàn)。

首先，研究人員將邊緣量子比特的光子置為激發(fā)態(tài)，它會(huì)像球一樣，結(jié)果顯示激發(fā)態(tài)會(huì)從一邊傳遞到另一邊，這和玻色-哈勃德模型的理論相符合，而實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果吻合。接著，他們做了第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，將兩端對(duì)角的兩個(gè)邊緣量子比特光子置為激發(fā)態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，兩個(gè)光子的激發(fā)態(tài)相互獨(dú)立地從一端移動(dòng)到了另一端。最后，他們將一端的兩個(gè)光子同時(shí)置為激發(fā)態(tài)，并探求這種情況下整個(gè)玻色-哈勃德梯子的狀態(tài)，他們發(fā)現(xiàn)此時(shí)激發(fā)態(tài)并沒(méi)有“傳播”下去，而是在一端形成局部化的狀態(tài)。

這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看似十分簡(jiǎn)單，但是卻有著重要的研究意義。

首先，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了玻色-哈勃德模型的理論，并在一定意義上顯示了玻色子之間的強(qiáng)相互作用力，對(duì)于基礎(chǔ)粒子的研究具有重要意義;其次，我們?nèi)绻麑⒐庾涌闯墒悄軌虼鎯?chǔ)信息的單元，而事實(shí)上它們也是存在于量子芯片的量子比特上的，那么這樣的實(shí)驗(yàn)也可以看成是量子比特間進(jìn)行通信的嘗試和探索，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)以及量子通信有指導(dǎo)意義;最后實(shí)驗(yàn)本身驗(yàn)證了 24-Qubit 量子芯片的正確性，我們有理由相信今后會(huì)有更多、更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟谶@樣的架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)。

刷新量子芯片世界紀(jì)錄，“虐貓狂人”出浙大

浙江大學(xué)為主的研究團(tuán)隊(duì)雖然也是開(kāi)發(fā)并使用高量子比特的量子芯片，但是他們有新的亮點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)的成員來(lái)自浙江大學(xué)、中科院物理所、中科院自動(dòng)化所、北京計(jì)算科學(xué)研究中心等研究機(jī)構(gòu)，他們通力合作開(kāi)發(fā)出具有 20 個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子芯片，雖然量子比特?cái)?shù)沒(méi)有達(dá)到 24，但是該芯片成功操控其實(shí)現(xiàn)全局糾纏，刷新了固態(tài)量子器件中生成糾纏態(tài)的量子比特?cái)?shù)目的世界紀(jì)錄。實(shí)驗(yàn)成果以文章的形式發(fā)表于 Science 雜志上。

在量子計(jì)算領(lǐng)域，高量子比特的量子芯片或者計(jì)算機(jī)有著超乎尋常的計(jì)算能力，而且位數(shù)越多，能力越大。全局糾纏，通俗的理解就是讓所有量子比特協(xié)同起來(lái)參與工作。

這種芯片架構(gòu)，20 個(gè)超導(dǎo)量子比特如圖一樣呈現(xiàn)兩排平行的排列。與電腦的架構(gòu)類似，在芯片中間采用了一條總線(Bus)作為所有量子比特相互連接的途徑。而每一個(gè)量子比特又有自己的控制端口(如圖中所示的紅線和藍(lán)線)。也就是說(shuō)，每一個(gè)量子比特都能獨(dú)立編程、讀寫(xiě)以及檢測(cè)，而總線的設(shè)計(jì)又將這些量子比特聯(lián)系在了一起，實(shí)現(xiàn)全局糾纏。

如此強(qiáng)大的芯片自然要用來(lái)做實(shí)驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)基于芯片的全局糾纏實(shí)現(xiàn)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)。文章的共同第一作者宋超說(shuō)：“我們確實(shí)看到了在經(jīng)典世界中看不到的現(xiàn)象，用更形象(的表述)就是——一只由 20 個(gè)人造原子構(gòu)成的‘貓’，薛定諤貓態(tài)。”

所謂薛定諤的貓態(tài)，就是不確定狀態(tài)的疊加。正如“薛定諤的貓”這一著名思維實(shí)現(xiàn)闡述，我們未打開(kāi)盒子之前的貓應(yīng)該是“不死不活”的，是“死”和“活”狀態(tài)的疊加，但是我們無(wú)法在宏觀經(jīng)典世界看見(jiàn)這所謂的“不死不活”的貓。然而隨著量子力學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家已先后通過(guò)各種方案獲得了宏觀量子疊加態(tài)，即薛定諤貓態(tài)。此前，科學(xué)家最多使 4 個(gè)離子或 5 個(gè)光子達(dá)到“薛定諤貓”態(tài)。但如何使更多粒子構(gòu)成的系統(tǒng)達(dá)到這種狀態(tài)，已成為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的一大挑戰(zhàn)。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，研究團(tuán)隊(duì)將 20 個(gè)量子比特的初始狀態(tài)設(shè)置為統(tǒng)一的相干態(tài)，同一時(shí)間“釋放”。

結(jié)果令人激動(dòng)，在短短的 187 納秒之內(nèi)，20 個(gè)量子比特經(jīng)歷多次變換，最終形成同時(shí)存在兩種相反狀態(tài)的量子糾纏態(tài)——他們真的看見(jiàn)了“不死不活”的貓了!能夠控制這些量子比特生成全局糾纏態(tài)，也彰顯了研究團(tuán)隊(duì)精確控制和檢測(cè)量子比特的能力，而這精彩的187納秒，也見(jiàn)證了人類在量子計(jì)算研究上翻開(kāi)了新的一頁(yè)。

方興未艾的量子計(jì)算

最近幾年，量子計(jì)算、量子芯片、量子糾纏等詞匯以極高的頻率出現(xiàn)在公眾視野中，為什么大家都熱衷于此?

量子計(jì)算可以說(shuō)是計(jì)算能力最有可能超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的技術(shù)了，而現(xiàn)存的量子計(jì)算機(jī)也證明了這一點(diǎn)，國(guó)際上各大計(jì)算機(jī)公司、大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)都在你追我趕地進(jìn)行量子計(jì)算的研究，諸如谷歌、IBM、微軟、英特爾、華為、阿里巴巴等全球高科技公司都為此投入大量研究力量。

量子計(jì)算機(jī)的概念始于上世紀(jì) 80 年代：1982 年，著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼提出設(shè)想：既然自然的本質(zhì)是量子的，我們能否造出一臺(tái)遵循量子規(guī)律的計(jì)算機(jī)，去更好地認(rèn)識(shí)量子世界?理論上來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力會(huì)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)要高得多。經(jīng)典計(jì)算機(jī)就是我們現(xiàn)在日常使用的計(jì)算機(jī)，它的運(yùn)算和存儲(chǔ)單元是“1 字節(jié)(bit)”，以二進(jìn)制為運(yùn)算法則。1 字節(jié)中的狀態(tài)為“0”或者“1”。

然而，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和存儲(chǔ)單元“1 量子比特”，這個(gè)量子比特存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力與字節(jié)就不能同日而語(yǔ)了。

量子比特的運(yùn)算法則遵循量子力學(xué)的疊加原理，例如著名的薛定諤的貓，在我們打開(kāi)盒子之前，貓的狀態(tài)是無(wú)法確定的，可以說(shuō)是不死不活，是“死和活”的疊加狀態(tài)。類似地，1 個(gè)量子比特的狀態(tài)就可以是“0”和“1”的疊加狀態(tài)，如此一來(lái)，一個(gè)量子比特?fù)碛械男畔⒘烤捅冉?jīng)典計(jì)算機(jī)中的 1 字節(jié)中的要多得多了。

舉個(gè)栗子，考慮一個(gè) N 個(gè)物理比特的存儲(chǔ)器，若它是經(jīng)典存儲(chǔ)器，則它只能存儲(chǔ)2^N 個(gè)可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的任意一個(gè);若它是量子存儲(chǔ)器，則它可以同時(shí)存儲(chǔ) 2^N 個(gè)數(shù)，而且隨著 N 的增加，其存儲(chǔ)信息的能力將呈指數(shù)上升。這也是當(dāng)今量子計(jì)算巨頭都在爭(zhēng)相追趕高位數(shù)量子計(jì)算機(jī)的原因。

(來(lái)源：FLICKR)

理論上性能如此強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)為何至今還沒(méi)有投入大規(guī)模使用?

原因有很多，首先，量子計(jì)算機(jī)基于量子比特，而量子比特的工作環(huán)境要求十分嚴(yán)苛，以本文即將介紹的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)為例，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的量子芯片分別有24個(gè)量子比特和 20 個(gè)量子比特，它們由超導(dǎo)體的電路構(gòu)成。而超導(dǎo)體的形成條件就十分嚴(yán)苛了，一般要求超低溫，那么這樣的條件是不可能走入尋常百姓家的。其次，從量子比特到量子芯片再到量子計(jì)算機(jī)，這一條路看似簡(jiǎn)單，其實(shí)還有很多設(shè)計(jì)和架構(gòu)上的問(wèn)題。不同于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，量子芯片和量子計(jì)算機(jī)的架構(gòu)無(wú)法直接套用經(jīng)典計(jì)算機(jī)的技術(shù)，控制算法要求十分精確。

最后，量子比特的糾錯(cuò)問(wèn)題也是十分具體的，來(lái)自量子比特內(nèi)的熱量、來(lái)自基本的量子力學(xué)過(guò)程的隨機(jī)波動(dòng)都可能會(huì)干擾量子比特的狀態(tài)，從而造成計(jì)算錯(cuò)誤。為了處理這些錯(cuò)誤，我們需要增加額外的量子比特或者預(yù)先指定一部分量子比特來(lái)進(jìn)行糾錯(cuò)，這樣一來(lái)，就有很大一部分計(jì)算能力要被用于糾正錯(cuò)誤，而不是進(jìn)行計(jì)算。

不過(guò)，盡管有這么多問(wèn)題，量子計(jì)算機(jī)仍將是人類為之向往的科技，讓我們期待科學(xué)家?guī)?lái)更多的技術(shù)突破。在一周之內(nèi)，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和浙江大學(xué)主導(dǎo)的兩支研究團(tuán)隊(duì)分別在《物理評(píng)論快報(bào)》和 Science 上發(fā)表了其在量子計(jì)算上的最新研究。兩個(gè)研究的重點(diǎn)并不相同，但都采用了高量子比特芯片作為基礎(chǔ)物理研究課題的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，顯示了中國(guó)作為量子計(jì)算第一梯隊(duì)的實(shí)力。