science | 中国学者量子计算新进展：20个超导量子比特的薛定谔猫纠缠
20比特量子芯片示意图
撰文 | 周炜
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近日，浙江大学、中科院物理所、中科院自动化所、北京计算科学研究中心等国内单位组成的团队通力合作，开发出具有20个超导量子比特的量子芯片，并成功操控其实现全局纠缠，刷新了固态量子器件中生成纠缠态的量子比特数目的世界记录。这一进展今天发表于美国《科学》杂志。
多比特量子纠缠态的实验制备是衡量量子计算平台控制能力的关键标志，国际竞争尤为激烈。经过近两年时间的器件设计与制备、实验测控及数据处理，由中国学者组成的联合团队成功将纠缠的比特数目推进到20。
浙大物理系博士生宋超、中科院物理所许凯副研究员和博士生李贺康为论文共同第一作者。中科院物理所范桁研究员、郑东宁研究员和浙大王浩华教授为共同通讯。
“摇篮”中的量子计算机
关于量子计算机的梦想始于上世纪80年代。1982年，著名物理学家费曼提出设想：既然自然的本质是量子的，我们能否造出一台遵循量子规律的计算机，去更好的认识量子世界？人们意识到，量子计算机的技术一旦成熟，它的运算能力将远远超越经典计算机。
计算机使用“0”和“1”进行信息存储与处理。在经典计算机里，一个比特就如一个普通开关，或0或1。量子计算机则完全不同，由于量子纠缠与叠加，一个“量子开关”可以同时代表0和1，我们称之为量子比特。想象一下，一枚摆在桌上静止的硬币，你只能看到它的正面或背面；当你把它快速旋转起来，你看到的既是正面，又是背面。于是，一台量子计算机就像许多硬币同时翩翩起舞。
量子比特数，是衡量量子计算机性能的重要指标之一。通过量子纠缠与叠加，n个量子比特相互关联，可以生成2n种状态。也就是说，一个含有n个比特的经典存储器可以存储2n个可能数据当中的任意一个，如果它是量子存储器，则可以同时存储2n个数。相当于2n个经典计算机的cpu同时工作。每增加一个量子比特，量子计算机的运算能力将以指数倍增加。有报道指出，一台30个量子比特的量子计算机的计算能力和一台每秒万亿次浮点运算的经典计算机水平相当，是今天经典台式机速度的一万倍。人们相信，一旦量子比特数达到50以上，它就能在处理某些特定问题时展现超越超级计算机的运算能力。
人类差不多用了70年的时间，见证了经典计算机从笨重又不稳定、动辄占据整个实验室、浑身布满机械阀门的机器发展到便携的个人电脑、智能手机的进步；但还有许多经典计算机很难甚至无法完成的运算，量子计算机则可以胜任。我们完全有理由期待，在未来几十年内，量子计算机能从理论走向应用，完成经典计算机无法解决的大规模计算难题，在密码破解、药物设计、人工智能等领域大显身手。
然而，在澎湃的想象面前，实验室中的原型机仍像摇篮中的婴儿，到其长大成人发挥作用还需有漫长不懈怠的培养过程。近年来，不论是单个量子比特的相干性、量子门的保真度，还是量子芯片的集成度、全局纠缠态的制备规模，都在稳步提升。此前，中国科技大学的研究团队创造了操纵12个超导量子比特实现纠缠的记录。如今，这个数字被刷新，人类能够同时精确操控20个超导量子比特进行工作。
20个人造原子的“薛定谔猫”
在浙江大学一幢教学楼里，狭长的过道深处就是浙江大学超导量子计算和量子模拟团队的实验室，超导量子比特芯片设计、平台搭建、测控工作都在这里完成。拔地而起的钢架，错综复杂的管线、密集叠放的电路板、嗡嗡作响的制冷机……博士生宋超介绍道，这整个房间就是一台量子计算机，它的“大脑”就在一个直径80公分的圆柱形大“冰箱”的底部。
借助于显微镜，这1平方厘米的“大脑”——超导量子比特芯片露出真容。20个量子比特，均匀分布于中心谐振腔的周边，犹如由中心枢纽贯通的各个支路。“这是我们实验室迭代的第四代电路设计方案，目标是让任意两个量子比特之间都能进行直接‘沟通’，实现全局纠缠。”芯片的设计者之一，本科生张叙说。这样的芯片则是由中科院物理所李贺康博士制备的，他在近期作为博士后加盟浙大，有望在浙大微纳加工中心做出更复杂的芯片。
全局纠缠，通俗的理解就是让所有量子比特协同起来参与工作。量子操纵是量子计算的技术制高点，而实现全局纠缠是检验操纵是否成功的标志。“能够非常高精度地操控他们，然后同时还能保持质量稳定，这是一项难度极大的挑战。”许凯介绍说。许凯6年前到浙大读研开始涉足超导量子计算领域，去年获得博士学位并加盟中科院物理所开始组建自己的实验室。
论文的两位共同一作宋超和许凯在量子计算实验平台边讨论
实验团队利用这一芯片生成并标定了18比特的全局纠缠的ghz态，以及20比特的薛定谔猫态。“我们确实看到了在经验世界中看不到的现象，用更形象就是——一只由20个人造原子构成的‘猫’，薛定谔猫态。”宋超说。
在实验控制条件下，20个人造原子集体从零时刻起跑后的相干演化动态过程的捕捉。不到200纳秒的过程中，人造原子的集体状态历经多次变身，在不同时间点出现有不同组份数（对应球中红色圈的数量）的薛定谔猫态，最终形成2组份（同时存在两种相反状态）的薛定谔猫态。a和b图分别为理论预测和实验观察结果。c图为根据建议在新视角下对5组份薛定谔猫态的重新描绘，球中蓝色区域的出现更有力地证明了量子纠缠的存在。
在短短187纳秒之内（仅为人眨一下眼所需时间的百万分之一），20个人造原子从“起跑”时的相干态，历经多次变身，最终形成同时存在两种相反状态的纠缠态。论文标题中，团队用了“薛定谔猫态”来描述捕捉到的现象。操控这些量子比特生成全局纠缠态，标志着团队能够真正调动起这些量子比特。
正是这“璀璨”的187纳秒，见证了人类在量子计算的研究道路上又迈进了一步。
第一梯队
量子计算机的研发是国际科技竞争的热点领域。谷歌、ibm、微软、英特尔、华为、阿里等高科技公司都为此投入大量研究力量。当前，实现量子计算的物理体系主要有光学系统、离子阱和量子点等微观体系，基于宏观约瑟夫森效应的超导电路由于其在可操控性和可扩展性等方面的优势，是目前国际上公认的有希望实现量子计算的几个物理载体之一。
近年来，浙江大学物理系的超导量子计算和量子模拟团队一直致力于超导量子计算和量子模拟的实验研究。2017年，团队与中科大潘建伟和朱晓波团队、中科院物理所郑东宁团队、福州大学郑仕标教授等合作10比特超导量子芯片，实现了当时世界上最大数目的10个超导量子比特的纠缠，打破了之前由谷歌和加州大学圣塔芭芭拉分校保持的记录，使得我国在量子计算机研究领域进入国际第一梯队。
“与世界上其他的超导量子芯片相比，我们研发的芯片拥有一个显著特点，那就时所有比特之间都能够进行相互连接，这能够提升量子芯片的运行效率，也是我们能够率先实现20比特纠缠的重要原因之一。”许凯总结道。
据介绍，该工作最早于5月1日公布于预印本网站（arxiv:1905.00320）。第二天，团队就收到了一封来自英国教授的邮件，对实验结果表示了赞赏。“他在信中提供了很好的研究建议，我们用他的方法补充了实验，更加充分地验证了我们的研究成果。”宋超说，在《科学》杂志的论文中，研究团队特意致谢了这位素未谋面的英国教授。
5月14日，美国ibm超导量子计算团队（arxiv:1905.05720）和哈佛大学里德堡原子团队（arxiv:1905.05721）也在预印本网站公布了类似的实验结果。三个工作报道的纠缠比特数目基本持平，反映了以纠缠态制备为代表的多量子比特相干操控是目前努力的主要方向。
