中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)研制出超導(dǎo)量子比特芯片處理器

原標(biāo)題：刷新世界紀(jì)錄！中國(guó)學(xué)者開發(fā)出具有20個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子芯片

近日，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)研究中心等國(guó)內(nèi)單位組成的團(tuán)隊(duì)通力合作，開發(fā)出具有20個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子芯片，并成功操控其實(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)目的世界記錄。這一進(jìn)展今天發(fā)表于美國(guó)《科學(xué)》雜志。

多比特量子糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備是衡量量子計(jì)算平臺(tái)控制能力的關(guān)鍵標(biāo)志，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)尤為激烈。經(jīng)過(guò)近兩年時(shí)間的器件設(shè)計(jì)與制備、實(shí)驗(yàn)測(cè)控及數(shù)據(jù)處理，由中國(guó)學(xué)者組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成功將糾纏的比特?cái)?shù)目推進(jìn)到20。

圖：20比特量子芯片示意圖

“搖籃”中的量子計(jì)算機(jī)

關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的夢(mèng)想始于上世紀(jì)80年代。1982年，著名物理學(xué)家費(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)，去更好的認(rèn)識(shí)量子世界？人們意識(shí)到，量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)一旦成熟，它的運(yùn)算能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

計(jì)算機(jī)使用“0”和“1”進(jìn)行信息存儲(chǔ)與處理。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)里，一個(gè)比特就如一個(gè)普通開關(guān)，或0或1。量子計(jì)算機(jī)則完全不同，由于量子糾纏與疊加，一個(gè)“量子開關(guān)”可以同時(shí)代表0和1，我們稱之為量子比特。想象一下，一枚擺在桌上靜止的硬幣，你只能看到它的正面或背面；當(dāng)你把它快速旋轉(zhuǎn)起來(lái)，你看到的既是正面，又是背面。于是，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)就像許多硬幣同時(shí)翩翩起舞。

量子比特?cái)?shù)，是衡量量子計(jì)算機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。通過(guò)量子糾纏與疊加，n個(gè)量子比特相互關(guān)聯(lián)，可以生成2n種狀態(tài)。也就是說(shuō)，一個(gè)含有n個(gè)比特的經(jīng)典存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)2n個(gè)可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的任意一個(gè)，如果它是量子存儲(chǔ)器，則可以同時(shí)存儲(chǔ)2n個(gè)數(shù)。相當(dāng)于2n個(gè)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的CPU同時(shí)工作。每增加一個(gè)量子比特，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力將以指數(shù)倍增加。有報(bào)道指出，一臺(tái)30個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和一臺(tái)每秒萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算的經(jīng)典計(jì)算機(jī)水平相當(dāng)，是今天經(jīng)典臺(tái)式機(jī)速度的一萬(wàn)倍。人們相信，一旦量子比特?cái)?shù)達(dá)到50以上，它就能在處理某些特定問(wèn)題時(shí)展現(xiàn)超越超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。

人類差不多用了70年的時(shí)間，見證了經(jīng)典計(jì)算機(jī)從笨重又不穩(wěn)定、動(dòng)輒占據(jù)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室、渾身布滿機(jī)械閥門的機(jī)器發(fā)展到便攜的個(gè)人電腦、智能手機(jī)的進(jìn)步；但還有許多經(jīng)典計(jì)算機(jī)很難甚至無(wú)法完成的運(yùn)算，量子計(jì)算機(jī)則可以勝任。我們完全有理由期待，在未來(lái)幾十年內(nèi)，量子計(jì)算機(jī)能從理論走向應(yīng)用，完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的大規(guī)模計(jì)算難題，在密碼破解、藥物設(shè)計(jì)、人工智能等領(lǐng)域大顯身手。

然而，在澎湃的想象面前，實(shí)驗(yàn)室中的原型機(jī)仍像搖籃中的嬰兒，到其長(zhǎng)大成人發(fā)揮作用還需有漫長(zhǎng)不懈怠的培養(yǎng)過(guò)程。近年來(lái)，不論是單個(gè)量子比特的相干性、量子門的保真度，還是量子芯片的集成度、全局糾纏態(tài)的制備規(guī)模，都在穩(wěn)步提升。此前，中國(guó)科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了操縱12個(gè)超導(dǎo)量子比特實(shí)現(xiàn)糾纏的記錄。如今，這個(gè)數(shù)字被刷新，人類能夠同時(shí)精確操控20個(gè)超導(dǎo)量子比特進(jìn)行工作。

20個(gè)人造原子的“薛定諤貓”

浙江大學(xué)西溪校區(qū)西面的一幢教學(xué)樓，狹長(zhǎng)的過(guò)道深處就是浙江大學(xué)超導(dǎo)量子計(jì)算和量子模擬團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室，超導(dǎo)量子比特芯片設(shè)計(jì)、平臺(tái)搭建、測(cè)控工作都在這里完成。拔地而起的鋼架，錯(cuò)綜復(fù)雜的管線、密集疊放的電路板、嗡嗡作響的制冷機(jī)……博士生宋超介紹道，這整個(gè)房間就是一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，它的“大腦”就在一個(gè)直徑80公分的圓柱形大“冰箱”的底部。

借助于顯微鏡，這1平方厘米的“大腦”——超導(dǎo)量子比特芯片露出真容。20個(gè)量子比特，均勻分布于中心諧振腔的周邊，猶如由中心樞紐貫通的各個(gè)支路?！斑@是我們實(shí)驗(yàn)室迭代的第四代電路設(shè)計(jì)方案，目標(biāo)是讓任意兩個(gè)量子比特之間都能進(jìn)行直接‘溝通’，實(shí)現(xiàn)全局糾纏?！毙酒脑O(shè)計(jì)者之一，本科生張敘說(shuō)。這樣的芯片則是由中科院物理所李賀康博士制備的，他在近期作為博士后加盟浙大，有望在浙大微納加工中心做出更復(fù)雜的芯片。

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。量子操縱是量子計(jì)算的技術(shù)制高點(diǎn)，而實(shí)現(xiàn)全局糾纏是檢驗(yàn)操縱是否成功的標(biāo)志?！澳軌蚍浅８呔鹊夭倏厮麄?，然后同時(shí)還能保持質(zhì)量穩(wěn)定，這是一項(xiàng)難度極大的挑戰(zhàn)?！痹S凱介紹說(shuō)。許凱6年前到浙大讀研開始涉足超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域，去年獲得博士學(xué)位并加盟中科院物理所開始組建自己的實(shí)驗(yàn)室。

圖：宋超和許凱在量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)邊討論。