近日，中國科研團隊在量子計算領域再次創(chuàng)造世界紀錄！浙江大學、中科院物理所、中科院自動化所以及北京計算科學研究中心等國內單位合作，開發(fā)出具有20個超導量子比特的量子芯片，并成功實現(xiàn)對其操控及全局糾纏！
又一項世界紀錄！
繼去年潘建偉團隊實現(xiàn)18個光量子比特糾纏后，近日，由浙江大學、中科院物理所、中科院自動化所、北京計算科學研究中心等國內單位共同合作，再次在量子計算領域刷新了又一項世界紀錄——開發(fā)了具有20個超導量子比特的量子芯片，并成功操控，實現(xiàn)了全局糾纏！
這一重磅成果刊登在了國際頂級雜志《Science》。
這項工作有多厲害？
只需要在短短187納秒之內(相當于人眨眼所需時間的百萬分之一)，20個人造原子從“起跑”時的相干態(tài)，歷經(jīng)多次“變身”，最終形成同時存在兩種相反狀態(tài)的糾纏態(tài)。
正如人民日報所評論：
操控這些量子比特生成全局糾纏態(tài)，標志著團隊能夠真正調動起這些量子比特。這“璀璨”的187納秒，見證了人類在量子計算的研究道路上又邁進了一步。
20 個人造原子的 “薛定諤貓”量子計算的成功依賴于糾纏大規(guī)模系統(tǒng)的能力。研究人員開發(fā)了各種各樣的平臺，其中以超導量子比特和捕獲原子為基礎的架構是最先進的。在這樣的量子系統(tǒng)上證明糾纏的可控生成和檢測是大規(guī)模量子處理器發(fā)展的重要方向。然而，在完全可控和可擴展的量子平臺上生成和驗證多比特量子糾纏態(tài)仍然是一個突出的挑戰(zhàn)。本研究報告了在一個量子處理器上生成18比特的全局糾纏的GHZ態(tài)，以及20比特的薛定諤貓態(tài)。通過設計單軸扭曲哈密頓量，量子比特系統(tǒng)一旦初始化，就會連貫地演化為多分量原子薛定諤貓態(tài) - 即原子相干態(tài)的疊加，包括 GHZ 態(tài)在預期的特定時間間隔的疊加。研究人員表示，這種在固態(tài)平臺上的方法不僅可以激發(fā)人們對探索量子多體系統(tǒng)基礎物理的興趣，而且還能促進量子計量和量子信息處理的實際應用的發(fā)展。下圖顯示了超導量子處理器的結構機器基準特征。
18個量子比特的GHZ態(tài)(A)用于產(chǎn)生和表征N-qubit GHZ態(tài)的脈沖序列。(B)N-qubit GHZ奇偶校驗振蕩。對于每個數(shù)據(jù)點(藍色圓圈)，通過重復脈沖序列大約30×2^N次，來找到原始的2^N占有幾率，然后應用讀出校正來消除測量誤差(27)，之后使用最大似然估計來驗證占有幾率并計算奇偶校驗值P。為了估計誤差條(error bars)，我們將完整的數(shù)據(jù)集劃分為幾個子群，每個子群包含大約5×2^N個樣本，并且誤差條對應于從這些子群計算的那些標準偏差。紅線是正弦曲線擬合，條紋幅度對應于|r00...0,11...1|。對于N=16到18，在整個γ∈[-π/2，π/2]范圍內，如果采樣尺寸為30×2^N時，則重復測量花費的時間過長。用灰線連起來的灰點來自減小了~2^N采樣尺寸的實驗數(shù)據(jù)，沒有誤差條，作為視覺引導指示正確的N分段振蕩周期。
多組分原子薛定諤貓態(tài)在動態(tài)過程中產(chǎn)生20個量子位元圖3顯示在實驗控制條件下，20 個人造原子集體從零時刻起跑后的相干演化動態(tài)過程的捕捉。不到 200 納秒的過程中，人造原子的集體狀態(tài)歷經(jīng)多次變身，在不同時間點出現(xiàn)有不同組份數(shù)(對應球中紅色圈的數(shù)量)的薛定諤貓態(tài)，最終形成 2 組份(同時存在兩種相反狀態(tài))的薛定諤貓態(tài)。
A 和 B 圖分別為理論預測和實驗觀察結果。C 圖為根據(jù)建議在新視角下對 5 組份薛定諤貓態(tài)的重新描繪，球中藍色區(qū)域的出現(xiàn)更有力地證明了量子糾纏的存在。在短短 187 納秒之內(僅為人眨一下眼所需時間的百萬分之一)，20 個人造原子從 “起跑” 時的相干態(tài)，歷經(jīng)多次 “變身”，最終形成同時存在兩種相反狀態(tài)的糾纏態(tài)。論文標題中，團隊用了 “薛定諤貓態(tài)” 來描述捕捉到的現(xiàn)象。操控這些量子比特生成全局糾纏態(tài)，標志著團隊能夠真正調動起這些量子比特。
多粒子糾纏的操縱作為量子計算的技術制高點，一直是國際角逐的焦點。在光子體系，潘建偉團隊在國際上率先實現(xiàn)了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏，一直保持著國際領先水平。在超導體系，2015年，谷歌、美國航天航空局和加州大學圣芭芭拉分校宣布實現(xiàn)了9個超導量子比特的高精度操縱。這個記錄在2016年底被中國科學家團隊打破：潘建偉、朱曉波、王浩華等自主研發(fā)了10比特超導量子線路樣品，通過發(fā)展全局糾纏操作，成功實現(xiàn)了當時世界上最大數(shù)目的超導量子比特的糾纏和完整的測量。進一步，研究團隊利用超導量子電路，演示了求解線性方程組的量子算法，證明了通過量子計算的并行性加速求解線性方程組的可行性。相關成果也發(fā)表于國際權威期刊《物理評論快報》。
（轉自：科技日報）
