全球最大量子比特?cái)?shù)的超導(dǎo)量子體系誕生在中國

5 月 8 日，全球最大量子比特?cái)?shù)的超導(dǎo)量子體系誕生在中國！

該成果來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)，其于近日成功研制出全球超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)量最多的量子計(jì)算原型機(jī) “祖沖之號”。

“祖沖之號” 可操縱的超導(dǎo)量子比特多達(dá) 62 個(gè)，此前谷歌實(shí)現(xiàn) “量子優(yōu)越性” 的懸鈴木具備 53 個(gè)量子比特，這意味著在目前的公開報(bào)道中，“祖沖之號” 是世界上最大量子比特?cái)?shù)的超導(dǎo)量子體系。

之所以命名為 “祖沖之號”，參與研究的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院教授朱曉波告訴 DeepTech ：“這是為了紀(jì)念我國杰出的數(shù)學(xué)家。祖沖之在劉徽開創(chuàng)的探索圓周率的精確方法的基礎(chǔ)上，首次將‘圓周率’精算到小數(shù)第七位，他提出的‘祖率’對數(shù)學(xué)的研究有重大貢獻(xiàn)?！?/p>

此外，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對格點(diǎn)間隧穿幅、以及游走構(gòu)型的精準(zhǔn)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)了可編程的二維量子行走。

5 月 8 日，相關(guān)論文以《在可編程二維 62 比特量子處理器上的量子行走》“Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor” 為題發(fā)表在 Science 上。

審稿人評價(jià)稱：“在大尺度晶格上首次實(shí)現(xiàn)了量子行走的實(shí)驗(yàn)觀測…… 這是一項(xiàng)清晰而令人贊嘆的實(shí)驗(yàn)”。其中，潘建偉、朱曉波是論文共同通訊作者。

由潘建偉、朱曉波、彭承志等人組成的團(tuán)隊(duì)，多年來專注于研究超導(dǎo)量子計(jì)算，此前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全局糾纏保真度達(dá) 70％的 12 比特超導(dǎo)量子芯片、24 個(gè)比特的高性能超導(dǎo)量子處理器等成果，“祖沖之號” 也正是立足于此前成果。

本次研究中，在二維結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)量子比特芯片上，該團(tuán)隊(duì)觀察了單粒子、以及雙粒子激發(fā)情形下的量子行走現(xiàn)象，并在實(shí)驗(yàn)中研究了量子信息在二維平面上的傳播速度。

同時(shí)，他們還通過調(diào)制量子比特連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方式，構(gòu)建出一種名為馬赫 — 曾德爾的干涉儀，從而實(shí)現(xiàn)了可編程的雙粒子量子行走。

在超導(dǎo)量子處理器上實(shí)現(xiàn)二維量子行走

一直以來，固態(tài)量子計(jì)算有很多方案，由于超導(dǎo)量子計(jì)算具備較好的工藝可擴(kuò)展性，因此也被廣泛認(rèn)為是最有可能率先實(shí)現(xiàn)實(shí)用化量子計(jì)算的方案之一。

而此，此前擺在面前的難題是：難以在超導(dǎo)量子體系中實(shí)現(xiàn)對每一個(gè)量子比特的極高精度的相干操縱。

研究中，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)建出一個(gè) 8×8 的超導(dǎo)量子比特陣列，下圖正是該量子處理器結(jié)構(gòu)的示意圖，其面積為 3x3 平方厘米，之所以設(shè)計(jì)成正方形，是為了幫助實(shí)現(xiàn)量子算法。

一個(gè)橘色 “+”， 代表著一個(gè)量子比特，除去兩個(gè)因?yàn)閾p壞而無法實(shí)現(xiàn)功能的量子比特，圖中共有 62 個(gè) “+” 高品質(zhì)量子比特，它們之前相互耦合。

很多人都知道，來自固體的天然原子晶格，被激發(fā)之后會產(chǎn)生聲子。量子比特也可看做是一種人工原子，一旦被激發(fā)，它就會生成出一種準(zhǔn)粒子。而準(zhǔn)粒子的行為、和聲子的行為類似，它們都是符合玻色子統(tǒng)計(jì)規(guī)律的玻色子。

在固體中傳播時(shí)，聲音的傳播行為會受到晶格結(jié)構(gòu)、格點(diǎn)間的耦合等因素的影響。作為量子行走中的 “漫步者” 的準(zhǔn)粒子，它的行走行為也會受到量子比特陣列的構(gòu)型和耦合等因素的影響。

使用相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，朱曉波等人調(diào)節(jié)了體系中的各種參數(shù)，從而讓量子比特陣列可模擬玻色 - 哈伯德模型（Bose-Hubbard）的行為。

由于玻色 - 哈伯德模型具備不錯(cuò)的研究價(jià)值和應(yīng)用前景，因此是目前多體物理模擬的一個(gè)熱點(diǎn)。在該模型下，他們開始研究準(zhǔn)粒子 “漫步者” 的行為。

研究之前，他們先激發(fā)出 “漫步者”，接著再把量子比特的頻率調(diào)為一致，這時(shí)即可制備出二維干涉網(wǎng)絡(luò)，這也是實(shí)驗(yàn)所需的演化 “環(huán)境”。有了演化 “環(huán)境”，漫步者才能開始 “自由之旅”。

圖 | 1 個(gè)漫步者的情況（來源：Science）

如上圖左上角的紅色方塊位置，這里指的是他們在量子比特陣列的左上角，創(chuàng)造出了 1 個(gè)漫步者。

演化一段時(shí)間后，該團(tuán)隊(duì)觀測了漫步者在陣列上的分布情況，上圖顯示的正是漫步者逐漸蔓延到整個(gè)陣列中的過程。

此后，他們開始研究 2 個(gè)漫步者，如下圖所示，一開始 2 個(gè)漫步者分別位于兩個(gè)相對的頂角處，隨后它們也逐漸蔓延到整個(gè)陣列中。

圖 | 2 個(gè)漫步者的情況（來源：Science）

實(shí)驗(yàn)證明，不管是 1 個(gè)漫步者還是 2 個(gè)漫步者，同等條件下的數(shù)值模擬結(jié)果，都和本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，這說明本次超導(dǎo)量子比特體系，具備優(yōu)異的性能，且能實(shí)現(xiàn)精確的操縱。

現(xiàn)針對每個(gè)量子比特頻率的精確調(diào)控

如果說二維量子比特體系是一座花園，那么它就是僅有一片開闊草坪的花園。

這意味著，漫步者可在園中隨意逗留，正因此朱曉波等人才能實(shí)現(xiàn)針對每個(gè)量子比特頻率的精確調(diào)控。

調(diào)節(jié)完量子比特頻率之后，部分量子比特就會失去諧調(diào)，漫步者的活動區(qū)域也可得到限定。

限定之后，該團(tuán)隊(duì)才能給漫步者量身定制出一條條小路，也就是它的行走路徑，這些小路相互交叉，并讓漫步者只能行走在這些小路上。

因?yàn)椴恢挥幸晃宦秸撸?dāng)它們在小路上相遇時(shí)，也會碰撞出相應(yīng)的 “故事”。

“故事” 的原理是，由于在二維量子比特體系中，漫步者在行走時(shí)，路線的不同會帶來不同的交織形式，進(jìn)而會產(chǎn)生不同的圖結(jié)構(gòu)，這時(shí)也會誕生不同表現(xiàn)的干涉結(jié)果，最終可實(shí)現(xiàn)不同的功能。上述種種不同，也是實(shí)現(xiàn)基于量子行走的量子計(jì)算的關(guān)鍵要素。

基于此，朱曉波等人構(gòu)造出幾個(gè)不同的路徑結(jié)構(gòu)。在這些不同的路徑結(jié)構(gòu)中，他們又分別研究了 1 個(gè)漫步者、和 2 個(gè)漫步者的量子行走行為，并探明了量子干涉在其中扮演的角色。

他們發(fā)現(xiàn)，在即便只有 1 個(gè)漫步者的量子行走中，它也能在兩條連接的演化路徑中，形成干涉作用；而在 2 個(gè)漫步者的量子行走中，只有兩條路徑形成連接，才能形成干涉作用。

而且，任意 1 個(gè)漫步者形成的干涉條紋以及它們的和，和 2 個(gè)漫步者形成的干涉條紋都不一樣，這說明兩個(gè)漫步者之中也會產(chǎn)生相互作用。

圖 | 單個(gè)漫步者的量子行走 （來源：Science）

如上圖所示，圖 A 和圖 B 是兩個(gè)不同的路徑結(jié)構(gòu)。最開始，在圖 A 的紅色 S 處，漫步者會被激發(fā)出來。

圖 C 和圖 D 指的是針對兩種路徑結(jié)構(gòu)，在演化一定時(shí)間后，不同 “路況” 下的粒子數(shù)分布情況，會呈現(xiàn)在終點(diǎn) D 點(diǎn)的位置。

那么，在有兩條相互連接路徑的情況下，粒子在終點(diǎn)處也會表現(xiàn)出明顯的干涉條紋。但是，只要切斷一條路徑，就不會再形成兩條路徑的干涉，因此也不會再顯示出干涉。

再看下圖，在圖 A、圖 C、圖 E、圖 G 等不同的路徑結(jié)構(gòu)下。一開始在每張圖的紅色位置，漫步者會被激發(fā)出來。

圖 | 兩個(gè)漫步者的量子行走 （來源：Science）

而在圖 B、圖 D、圖 F、圖 H 等路徑結(jié)構(gòu)中，演化一定時(shí)間后，即可在終點(diǎn) D 點(diǎn)的位置，觀察到不同 “路況” 下的粒子數(shù)分布情況。

觀察中該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩條演化路徑出現(xiàn)近端連接時(shí)，才會產(chǎn)生干涉。而且，2 個(gè)漫步者形成的干涉條紋、和任意 1 個(gè)漫步者的干涉條紋以及它們的求和都不一樣，這說明不同漫步者中存在著相互作用。

圖 | 對于上圖中（A）所示情況，漫步者的量子行走過程演示（來源：Science）

概括來說，該團(tuán)隊(duì)在固態(tài)量子計(jì)算系統(tǒng)中，首次實(shí)驗(yàn)演示了可編程的二維量子行走，并通過對參數(shù)的精確調(diào)控，讓量子可在不同路徑結(jié)構(gòu)上進(jìn)行行走。

比起光子等系統(tǒng)，超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)的參數(shù)可調(diào)性更優(yōu)。比如，只需調(diào)控比特頻率、相鄰格點(diǎn)間的隧穿幅和相位、以及體系構(gòu)型等要素，即可滿足不同的實(shí)驗(yàn)需求和應(yīng)用需求。

超導(dǎo)量子計(jì)算已成為最具希望的候選者之一

盡管還不能立馬投入實(shí)際應(yīng)用，但這也說明超導(dǎo)量子比特處理器具備良好的應(yīng)用前景。就后續(xù)進(jìn)行更復(fù)雜量子多體模擬來說，該成果扮演著基石角色。

一言以蔽之，基于 “祖沖之號” 量子計(jì)算原型機(jī)的二維可編程量子行走，在通用量子計(jì)算、量子搜索算法等領(lǐng)域具備潛在應(yīng)用能力，更是后續(xù)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展的重要方向。

此外，該成果為促進(jìn)中國在超導(dǎo)量子系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，也為后續(xù)研究具有重大實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算提供了支持。

量子計(jì)算機(jī)是全球科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一，且已成為世界各國角逐的焦點(diǎn)。一直以來，盡管全球?qū)W者在研究量子計(jì)算時(shí)，使用過多條技術(shù)路線，但超導(dǎo)量子計(jì)算已成為最具希望的候選者之一，它的核心目標(biāo)是增加 “可操縱” 的量子比特?cái)?shù)量，通過提升操縱精度來實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用。

由于在原理上量子計(jì)算機(jī)具備超快的并行計(jì)算能力，因此有望通過特定算法，提供高于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)指數(shù)級別的加速能力，并有望用于天氣預(yù)報(bào)、材料設(shè)計(jì)、密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、藥物分析等領(lǐng)域。

原文標(biāo)題：62比特！潘建偉等成功研制量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號”，并實(shí)現(xiàn)可編程的二維量子行走

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