中国科学家打造全球首个光量子模拟机，量子计算终将超越

今天上午，在位于上海的中科院量子信息和量子科技创新研究院举行了一场新闻发布会，正式对外发布了一个重磅消息：

来自中国科学技术大学的潘建伟教授，及其同事陆朝阳、朱晓波等，与浙江大学王浩华教授研究组，以及来自中科院的专家们联合攻关，成功研发世界首个量子模拟机，并首次在超导电路中对10个量子比特实现了精准操控。

图 | 5月3日新闻发布会现场

该量子模拟机的突破在于，它把量子计算速度比经典计算机快的理论进一步的推向现实。潘建伟教授表示，这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机，为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了基础。

发展量子计算的关键在于如何通过高精度、高效率的量子态制备与量子比特间相互作用的控制技术，实现规模化量子比特的相干操控。

目前，国际上对于量子计算技术的研究主要分为光子、超冷原子和超导电路三个体系。我国科学家在光子和超导电路上取得的重大突破，对于量子计算机的研究与应用具有标志性意义。

图 | 单光子量子模拟机结构

而超导电路实现量子计算的技术路线具有可扩展性的原因在于，在超导电路中，通过电流叠加产生量子比特，而随着硅基制造技术的发展，在单个芯片上将能产生更多的量子比特。

在最新的研究工作中，潘建伟教授领导的团队设计了一种包含10个量子比特的超导电路。其中，量子比特由银制成，每个间隔半毫米，被固定在镀铝的蓝宝石基板上。这些量子比特被作为非线性LC振荡器，围绕总线谐振器呈圆形排列（如下图）。

图 | 该量子模拟机的伪色照片。标记为1-10的是超导量子比特，中央标记为B的是总线谐振器，红色和蓝色结构为单个量子比特的控制线路

系统的大致工作原理是，通过对量子比特施加能量非常低的微波脉冲，让它们进入叠加态，具体表现为两种不同振幅的振荡电流。为了避免在这一阶段产生干扰，每个量子比特都被设置为不同的振荡频率。

然而，如果量子比特之间要产生交互作用，就必须处于相同频率下。这时，被10个量子比特所环绕的总线谐振器就开始发挥作用了：它允许量子比特相互传递能量，而不会吸收任何能量。

研究团队成员、来自浙江大学的王浩华教授表示，上述过程的最终结果就是实现量子纠缠，或者用他的话来说，叫做“某种神奇的交互作用”。

为了进一步确定量子比特到底“纠缠”到何种程度，研究团队使用了一种叫做“量子层析”的方法来测量量子纠缠的概率，最后得出的结论是：正确状态下的分布概率超过50%，确实处量子纠缠态，而且进入量子纠缠态的速度也非常快。

在中国团队取得这项重大进展之前，全球学术界在该领域的纪录是2015年在超导电路中实现9个量子比特的精准操控。该研究团队由加州大学圣芭芭拉分校的John Martinis教授领衔，合作方包括谷歌与NASA。

图 | John Martinis教授领衔开发的9量子比特超导电路量子计算装置

但该团队并没有使用与中国同行们类似的系统结构，而是将量子比特一字排开、左右相连。这样做的好处是可以在系统中嵌入一种由他们自己开发的、名为“表层编码”（surface code）的纠错机制。

纠错能力对于任何大型量子计算机来说都至关重要，因为需要依靠这种纠错能力来克服量子态受外部扰动的退相干机制。通过引入额外的量子比特来实现交叉检查和纠错需要依靠每一个门操作的高正确性。不然，错误则会越积越多，直至不可控制。

John Martinis教授和他的团队就曾证实，当两量子比特门的一致性高于表层编码需求（单次错误率低于1%）时，超导量子计算机理论上是可以扩展的。

Martinis也对潘建伟和同事们的工作表示了高度赞赏，尤其是对他们所实现的快速纠缠以及“优秀的单量子比特操作”。

但Martinis同时表示，目前还无法得知中国的研究团队究竟能取得多大的突破，这个问题需要等到潘建伟团队全面的测量其单量子比特门或者纠缠门的一致性后才能下结论。

中国研究团队成员王浩华教授透露，他们正在为总线集中架构开发纠错机制。他同时表示，除了要努力提高单个逻辑门的正确性以超过相应的阈值之外，精密的操控多个纠缠的量子比特技术也是非常重要的。“我们实现了量子比特间的普遍耦合，”他说。“这种方法已被证明行之有效。”

图 | 新闻发布会上展示的超导量子计算机路线图

但王浩华教授也承认，在可预见的未来，建立一个通用型量子计算机，并以远超经典计算机的速度实现任何量子算法这一目标是不现实的，因为这将需要数以百万计的量子比特。

更切实的目标是开发一个包含50个量子比特的模拟机，在模拟小分子行为和其他量子系统行为方面，其性能可以超过传统计算机。