具有20个超导量子比特的量子芯片示意图受访单位供图具有20个超导量子比特的量子芯片示意图受访单位供图

“薛定谔的猫”实验示意图。猫到底是死是活必须在盒子打开后,外部观测者观测时,物质以粒子形式表现后才能确定,因此猫也处于被杀死和还活着两种状态的叠加态。  “薛定谔的猫”实验示意图。猫到底是死是活必须在盒子打开后,外部观测者观测时,物质以粒子形式表现后才能确定,因此猫也处于被杀死和还活着两种状态的叠加态。

  来源(yuan):科技日报

  近日,浙江(jiang)大学(xue)、中(zhong)科(ke)院(yuan)物理(li)所、中(zhong)科(ke)院(yuan)自动化(hua)所、北(bei)京(jing)计算科(ke)学(xue)研究中(zhong)心等国内单位组成(cheng)的(de)团队通力合作,开发出具有(you)20个(ge)超导量(liang)(liang)子(zi)比特的(de)量(liang)(liang)子(zi)芯(xin)片(pian),并(bing)成(cheng)功操控其实现全局纠(jiu)缠(chan)(chan),刷新了此前固(gu)态量(liang)(liang)子(zi)器件中(zhong)生成(cheng)12个(ge)纠(jiu)缠(chan)(chan)态的(de)量(liang)(liang)子(zi)比特的(de)世界纪录(lu)。

  “摇篮”中的量子计算机

  关于(yu)量(liang)子(zi)计算(suan)机(ji)的(de)梦(meng)想,起源(yuan)于(yu)上世纪80年代。著(zhu)名物理学家费曼曾提(ti)出(chu)(chu)设想:既(ji)然自(zi)然的(de)本(ben)质是(shi)量(liang)子(zi)的(de),人类能否造出(chu)(chu)一台(tai)遵循量(liang)子(zi)规律的(de)计算(suan)机(ji),从而更好地认识量(liang)子(zi)世界?

  随(sui)着(zhe)当代科学对量(liang)子世界的(de)深(shen)入“窥(kui)探”,人们越发相(xiang)信,量(liang)子计算(suan)机(ji)(ji)(ji)的(de)技术一旦成熟,其运算(suan)能力(li)将远超经(jing)典计算(suan)机(ji)(ji)(ji)。计算(suan)机(ji)(ji)(ji)使用(yong)“0”和(he)“1”进(jin)行信息存储与处理,作为表示(shi)信息的(de)最小单位,比(bi)特在经(jing)典计算(suan)机(ji)(ji)(ji)中如同一个(ge)(ge)普通开关(guan),或(huo)0或(huo)1。量(liang)子计算(suan)机(ji)(ji)(ji)则完全(quan)不同,由(you)于量(liang)子纠缠与叠加,一个(ge)(ge)“量(liang)子开关(guan)”可以同时代表0和(he)1,并被称为量(liang)子比(bi)特。

  “想象(xiang)一(yi)下,一(yi)枚摆在桌上静止的硬币,你只(zhi)能(neng)看到它(ta)(ta)的正面(mian)(mian)或(huo)背面(mian)(mian);当(dang)你把(ba)它(ta)(ta)快(kuai)速旋(xuan)转起来,你看到的既是(shi)(shi)正面(mian)(mian),又是(shi)(shi)背面(mian)(mian)。”浙江大学(xue)物理(li)系(xi)博士(shi)生宋超解释道(dao),而一(yi)台量子(zi)计算机就像许多硬币同时翩翩起舞。

  据了解(jie),量(liang)子(zi)(zi)(zi)比(bi)特(te)(te)数是(shi)衡量(liang)量(liang)子(zi)(zi)(zi)计(ji)算机性能的重要指标之一。多比(bi)特(te)(te)量(liang)子(zi)(zi)(zi)纠缠态的实验制备(bei)则是(shi)衡量(liang)量(liang)子(zi)(zi)(zi)计(ji)算平台控制能力的关键标志(zhi),国际竞争尤(you)为激(ji)烈。

  “通过量(liang)子(zi)纠缠与叠加,n个(ge)(ge)(ge)量(liang)子(zi)比(bi)特相互关联,可(ke)以(yi)生成2n种状态。”研发人(ren)员(yuan)表示,这意(yi)味着(zhe)一个(ge)(ge)(ge)含有n个(ge)(ge)(ge)比(bi)特的(de)经典存(cun)(cun)储器(qi)可(ke)以(yi)存(cun)(cun)储2n个(ge)(ge)(ge)可(ke)能数据(ju)当中(zhong)的(de)任意(yi)一个(ge)(ge)(ge),如果是量(liang)子(zi)存(cun)(cun)储器(qi),则可(ke)以(yi)同(tong)时存(cun)(cun)储2n个(ge)(ge)(ge)数。相当于2n个(ge)(ge)(ge)经典计(ji)算机的(de)CPU同(tong)时工作。即每增加一个(ge)(ge)(ge)量(liang)子(zi)比(bi)特,量(liang)子(zi)计(ji)算机的(de)运算能力(li)将以(yi)指数倍增加。

  有报道(dao)指出,一台30个量(liang)子(zi)(zi)比特的(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)计算机(ji)的(de)(de)计算能力和一台每秒万(wan)(wan)亿次浮点运算的(de)(de)经典计算机(ji)水平相(xiang)当,是今天经典台式机(ji)速度的(de)(de)一万(wan)(wan)倍。然而,目前实(shi)验室中的(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)比特原型(xing)机(ji)仍像摇篮中的(de)(de)婴儿,到其长(zhang)大成人(ren)发挥(hui)作用还需一段漫长(zhang)的(de)(de)培养过程。

  近年(nian)来,通过科学家们的(de)努力,不(bu)论是(shi)(shi)单个量子比(bi)特的(de)相(xiang)干性、量子门(men)的(de)保真度,还是(shi)(shi)量子芯片的(de)集成度、全局纠缠态的(de)制备规模,都(dou)有了稳步提升。

  操控由20个人造原子构成的“猫”

  拔(ba)地而起(qi)的(de)(de)(de)钢(gang)架、错综复杂(za)的(de)(de)(de)管(guan)线、密(mi)集叠(die)放的(de)(de)(de)电路板、嗡嗡作(zuo)响(xiang)的(de)(de)(de)制冷机……在浙(zhe)江大(da)学超导量(liang)子计算(suan)和量(liang)子模拟团(tuan)队的(de)(de)(de)实(shi)验室内(nei),一片“貌不(bu)惊(jing)人”的(de)(de)(de)芯片,既是(shi)保障(zhang)实(shi)验室运作(zuo)的(de)(de)(de)大(da)脑,也是(shi)研发团(tuan)队实(shi)现20个超导量(liang)子比特量(liang)子纠缠(chan)的(de)(de)(de)关键(jian)。

  “仅1平方厘(li)米的(de)面积上,20个(ge)量子比(bi)(bi)特(te)(te)被均匀分(fen)布于中心(xin)谐振腔的(de)周边(bian),犹如由(you)中心(xin)枢纽贯通的(de)各个(ge)支路。”由(you)中科院物理所(suo)博(bo)士生李贺(he)康制备的(de)超导量子比(bi)(bi)特(te)(te)芯(xin)片,采用独特(te)(te)的(de)电路设计方案(an),使所(suo)有(you)比(bi)(bi)特(te)(te)之间都能(neng)够进行相互连接,实现全局纠缠(chan)。

  何(he)谓全(quan)局纠(jiu)缠(chan)?通俗(su)地讲,即让(rang)所有量子比(bi)特协(xie)同(tong)起来参与工作。量子操纵是量子计算的(de)技术(shu)制高点,而(er)实(shi)现全(quan)局纠(jiu)缠(chan)是检验操纵是否成功的(de)标志。

  中科院物(wu)理所副研究员(yuan)许凯(kai)介绍说:“要非常高精(jing)度地操控它(ta)们,同时还(hai)得保(bao)持(chi)其(qi)质量稳定,是一(yi)项难度极(ji)大的挑战(zhan)。”

  “薛定谔的(de)(de)猫”是由奥地(di)利物(wu)(wu)理学家薛定谔于(yu)1935年提出的(de)(de)有(you)关猫生死叠加(jia)的(de)(de)著(zhu)名理想(xiang)实验(yan),是把微观领域的(de)(de)量(liang)子行(xing)为扩展到宏观世(shi)界的(de)(de)推演。实验(yan)是这(zhei)样的(de)(de):在一个盒子里(li)有(you)一只猫,以及少量(liang)放射(she)性物(wu)(wu)质。之(zhi)后,有(you)50%的(de)(de)概率放射(she)性物(wu)(wu)质将会衰变并释放出毒气杀死这(zhei)只猫,同时(shi)有(you)50%的(de)(de)概率放射(she)性物(wu)(wu)质不(bu)会衰变,而猫将活下(xia)来(lai)。

  根据经典物(wu)理学,在(zai)盒子(zi)(zi)(zi)里必将发生这两(liang)个(ge)结果之(zhi)一,而外部观测(ce)(ce)者(zhe)只有打开(kai)盒子(zi)(zi)(zi)才能(neng)知道里面的结果。在(zai)量子(zi)(zi)(zi)的世界(jie)里,当盒子(zi)(zi)(zi)处于(yu)关闭状态,整(zheng)个(ge)系(xi)统(tong)则一直保(bao)持(chi)不(bu)确定性的波态。猫到底是死是活必须(xu)在(zai)盒子(zi)(zi)(zi)打开(kai)后,外部观测(ce)(ce)者(zhe)观测(ce)(ce)时,物(wu)质以(yi)粒子(zi)(zi)(zi)形式表现(xian)后才能(neng)确定,因(yin)此猫也处于(yu)被杀(sha)死和还活着(zhe)两(liang)种状态的叠加态。

  实(shi)验团队则将这一(yi)实(shi)验思(si)想带(dai)进了现(xian)实(shi),并用(yong)“薛定谔(e)猫态”来描述捕捉到的现(xian)象,强调了这一(yi)量子(zi)叠加(jia)现(xian)象的“荒谬性”,即量子(zi)世界里可以同时存在多个状态。

  利用该芯片,实验团队(dui)生成并标定(ding)了18比(bi)特的(de)(de)全局纠(jiu)缠的(de)(de)GHZ态,以及20比(bi)特的(de)(de)薛定(ding)谔猫态。在短(duan)短(duan)187纳(na)秒之内,仅为人类一眨眼所(suo)需时间的(de)(de)百(bai)万分之一,20个人造原子就从“起跑”时的(de)(de)相干态,历经多次“变身”,最(zui)终形成同时存在两(liang)种相反状态的(de)(de)纠(jiu)缠态。

  “我们确实(shi)看(kan)到了在经验世界中看(kan)不到的(de)(de)现(xian)象(xiang),更(geng)形象(xiang)的(de)(de)描述就是(shi)一只(zhi)由(you)20个人造原子构成的(de)(de)‘猫’,即薛定谔猫态。”宋(song)超说。

  跻身第一梯队后持续发力

  量(liang)子计算(suan)机的研(yan)发是国际科技竞争(zheng)的热点领域。据(ju)了(le)解(jie),谷(gu)歌、IBM、微(wei)软、英特尔、华为(wei)、阿里等高科技公司都为(wei)此投入(ru)大量(liang)研(yan)究力量(liang)。

  当前,实(shi)现量子(zi)计算的(de)物理(li)体系主(zhu)要有光学系统、离子(zi)阱和(he)量子(zi)点等微观体系,基于宏观约瑟(se)夫森效应的(de)超导电路(lu)由于其在可(ke)操控性和(he)可(ke)扩展性等方面的(de)优势,是目前国际上公(gong)认的(de)有希望实(shi)现量子(zi)计算的(de)几个物理(li)载体之一。

  近年来,浙(zhe)江大(da)学物理系的(de)超(chao)(chao)导(dao)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)计(ji)算(suan)和量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)模拟团队(dui)一直致力于超(chao)(chao)导(dao)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)计(ji)算(suan)和量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)模拟的(de)实验研(yan)究,并曾(ceng)在两年前同(tong)中(zhong)(zhong)科大(da)、中(zhong)(zhong)科院物理所、福州大(da)学等(deng)合(he)作制造出10比特超(chao)(chao)导(dao)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)芯(xin)片,实现(xian)了(le)当时世界上最(zui)大(da)数目的(de)10个超(chao)(chao)导(dao)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)比特的(de)纠缠,打(da)破(po)了(le)之前由谷歌和加州大(da)学圣(sheng)塔(ta)芭芭拉分校保持的(de)纪(ji)录,使得我(wo)国在量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)计(ji)算(suan)机(ji)研(yan)究领域进入国际第一梯队(dui)。

  “与世界上其他(ta)的超导量子芯片(pian)(pian)相(xiang)比,我们研发的芯片(pian)(pian)拥有(you)一个显著特点,那就是所有(you)比特之间(jian)都能(neng)够进(jin)行(xing)相(xiang)互连接,这能(neng)够提升量子芯片(pian)(pian)的运行(xing)效率(lv),也(ye)是我们能(neng)够率(lv)先(xian)实现20比特纠缠的重要原因之一。”许凯总结道。

  5月初,实验团队曾(ceng)在(zai)预印(yin)本(ben)网站就该(gai)实验结果进行过公布(bu),不久后美国IBM超导量(liang)子(zi)计算团队和哈佛(fo)大(da)学里德(de)堡原子(zi)团队也在(zai)预印(yin)本(ben)网站公布(bu)了类似(si)的(de)(de)实验结果。3个工作报道(dao)的(de)(de)纠(jiu)缠比特数目(mu)基本(ben)持平,反映了以(yi)纠(jiu)缠态(tai)制备为代表的(de)(de)多量(liang)子(zi)比特相干操控(kong)是目(mu)前该(gai)领(ling)域努力的(de)(de)主(zhu)要方向(xiang)。

  值(zhi)得寻味的(de)是(shi),人(ren)类差不(bu)多(duo)用了70年的(de)时间,见证了经典(dian)计算(suan)机(ji)从笨重又不(bu)稳定、动辄占据(ju)整个实验室、浑身(shen)布满(man)机(ji)械(xie)阀门的(de)机(ji)器(qi)发展到便携的(de)个人(ren)电脑、智能手(shou)机(ji)的(de)进步。当前许多(duo)经典(dian)计算(suan)机(ji)很难(nan)、甚(shen)至无法完成的(de)运算(suan),通过量子计算(suan)机(ji)来实现,又将经过多(duo)久?

  许(xu)凯(kai)表示,人们有理由期待,在未来几十年(nian)内,量(liang)子(zi)计(ji)算(suan)机(ji)能从理论走向应用,完成经典计(ji)算(suan)机(ji)无(wu)法(fa)解决的大规模(mo)计(ji)算(suan)难(nan)题,在密码破解、药物设计(ji)、人工智能等领域大显身手。