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62比特!潘建伟等成功研制量子计算原型机“祖冲之号”,并实现可编程的二维量子行走

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  5 月 8 日,全球最大量子比特数的超导量子体系诞生在中国!

  该成果来自中国科学技术大学潘建伟院士团队,于近日成功研制出全球超导量子比特数量最多的量子计算原型机 “祖冲之号”。

  “祖冲之号” 可操纵的超导量子比特多达 62 个,此前谷歌实现 “量子优越性” 的悬铃木具备 53 个量子比特,这意味着在目前的公开报道中,“祖冲之号” 是世界上最大量子比特数的超导量子体系。

  之所以命名为 “祖冲之号”,参与研究的中国科学技术大学上海研究院教授朱晓波告诉 DeepTech :“这是为了纪念我国杰出的数学家。祖冲之在刘徽开创的探索圆周率的精确方法的基础上,首次将‘圆周率’精算到小数第七位,他提出的‘祖率’对数学的研究有重大贡献。”


  图 | 朱晓波(来源:中科大)

  此外,该团队实现了对格点间隧穿幅、以及游走构型的精准调控,从而实现了可编程的二维量子行走。

  5 月 8 日,相关论文以《在可编程二维 62 比特量子处理器上的量子行走》“Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor” 为题发表在 Science 上。


  图 | 相关论文(来源:Science)

  审稿人评价称:“在大尺度晶格上首次实现了量子行走的实验观测…… 这是一项清晰而令人赞叹的实验”。其中,潘建伟、朱晓波是论文共同通讯作者。

  由潘建伟、朱晓波、彭承志等人组成的团队,多年来专注于研究超导量子计算,此前已经实现全局纠缠保真度达 70%的 12 比特超导量子芯片、24 个比特的高性能超导量子处理器等成果,“祖冲之号” 也正是立足于此前成果。

  本次研究中,在二维结构的超导量子比特芯片上,该团队观察了单粒子、以及双粒子激发情形下的量子行走现象,并在实验中研究了量子信息在二维平面上的传播速度。

  同时,他们还通过调制量子比特连接的拓扑结构的方式,构建出一种名为马赫 — 曾德尔的干涉仪,从而实现了可编程的双粒子量子行走。

  在超导量子处理器上实现二维量子行走

  一直以来,固态量子计算有很多方案,由于超导量子计算具备较好的工艺可扩展性,因此也被广泛认为是最有可能率先实现实用化量子计算的方案之一。

  而此,此前摆在面前的难题是:难以在超导量子体系中实现对每一个量子比特的极高精度的相干操纵。

  研究中,该团队设计并构建出一个 8×8 的超导量子比特阵列,下图正是该量子处理器结构的示意图,其面积为 3x3 平方厘米,之所以设计成正方形,是为了帮助实现量子算法。


  图 | 二维超导量子比特芯片示意图(来源:Science)

  一个橘色 “+”, 代表着一个量子比特,除去两个因为损坏而无法实现功能的量子比特,图中共有 62 个 “+” 高品质量子比特,它们之前相互耦合。

  很多人都知道,来自固体的天然原子晶格,被激发之后会产生声子。量子比特也可看作是一种人工原子,一旦被激发,它就会生成出一种准粒子。 而 准粒子的行为、和声子的行为类似,它们都是符合玻色子统计规律的玻色子。

  在固体中传播时,声音的传播行为会受到晶格结构、格点间的耦合等因素的影响。作为量子行走中的 “漫步者” 的准粒子,它的行走行为也会受到量子比特阵列的构型和耦合等因素的影响。

  使用相关实验技术,朱晓波等人调节了体系中的各种参数,从而让量子比特阵列可模拟玻色 - 哈伯德模型(Bose-Hubbard)的行为。

  由于玻色 - 哈伯德模型具备不错的研究价值和应用前景,因此是目前多体物理模拟的一个热点。在该模型下,他们开始研究准粒子 “漫步者” 的行为。

  研究之前,他们先激发出 “漫步者”,接着再把量子比特的频率调为一致,这时即可制备出二维干涉网络,这也是实验所需的演化 “环境”。有了演化 “环境”,漫步者才能开始 “自由之旅”。



  图 | 1 个漫步者的情况(来源:Science)

  如上图左上角的红色方块位置,这里指的是他们在量子比特阵列的左上角,创造出了 1 个漫步者。

  演化一段时间后,该团队观测了漫步者在阵列上的分布情况,上图显示的正是漫步者逐渐蔓延到整个阵列中的过程。

  此后,他们开始研究 2 个漫步者,如下图所示,一开始 2 个漫步者分别位于两个相对的顶角处,随后它们也逐渐蔓延到整个阵列中。



  图 | 2 个漫步者的情况(来源:Science)

  实验证明,不管是 1 个漫步者还是 2 个漫步者,同等条件下的数值模拟结果,都和本次实验结果一致,这说明本次超导量子比特体系,具备优异的性能,且能实现精确的操纵。

  现针对每个量子比特频率的精确调控

  如果说二维量子比特体系是一座花园,那么它就是仅有一片开阔草坪的花园。

  这意味着,漫步者可在园中随意逗留,正因此朱晓波等人才能实现针对每个量子比特频率的精确调控。

  调节完量子比特频率之后,部分量子比特就会失去谐调,漫步者的活动区域也可得到限定。

  限定之后,该团队才能给漫步者量身定制出一条条小路,也就是它的行走路径,这些小路相互交叉,并让漫步者只能行走在这些小路上。

  因为不只有一位漫步者,当他们在小路上相遇时,也会碰撞出相应的 “故事”。

  “故事” 的原理是,由于在二维量子比特体系中,漫步者在行走时,路线的不同会带来不同的交织形式,进而会产生不同的图结构,这时也会诞生不同表现的干涉结果,最终可实现不同的功能。上述种种不同,也是实现基于量子行走的量子计算的关键要素。

  基于此,朱晓波等人构造出几个不同的路径结构。在这些不同的路径结构中,他们又分别研究了 1 个漫步者、和 2 个漫步者的量子行走行为,并探明了量子干涉在其中扮演的角色。

  他们发现,在即便只有 1 个漫步者的量子行走中,它也能在两条连接的演化路径中,形成干涉作用;而在 2 个漫步者的量子行走中,只有两条路径形成连接,才能形成干涉作用。

  而且,任意 1 个漫步者形成的干涉条纹以及它们的和,和 2 个漫步者形成的干涉条纹都不一样,这说明两个漫步者之中也会产生相互作用。


  图 | 单个漫步者的量子行走 (来源:Science)

  如上图所示,图 A 和图 B 是两个不同的路径结构。最开始,在图 A 的红色 S 处,漫步者会被激发出来。

  图 C 和图 D 指的是针对两种路径结构,在演化一定时间后,不同 “路况” 下的粒子数分布情况,会呈现在终点 D 点的位置。

  那么,在有两条相互连接路径的情况下,粒子在终点处也会表现出明显的干涉条纹。但是,只要切断一条路径,就不会再形成两条路径的干涉,因此也不会再显示出干涉。



  图 | 当处于上图图 A 的情况时,漫步者量子行走的过程演示(来源:Science)

  再看下图,在图 A、图 C、图 E、图 G 等不同的路径结构下。一开始在每张图的红色位置,漫步者会被激发出来。


  图 | 两个漫步者的量子行走 (来源:Science)

  而在图 B、图 D、图 F、图 H 等路径结构中,演化一定时间后,即可在终点 D 点的位置,观察到不同 “路况” 下的粒子数分布情况。

  观察中该团队发现,当两条演化路径出现近端连接时,才会产生干涉。而且,2 个漫步者形成的干涉条纹、和任意 1 个漫步者的干涉条纹以及它们的求和都不一样,这说明不同漫步者中存在着相互作用。



  图 | 对于上图中(A)所示情况,漫步者的量子行走过程演示(来源:Science)

  概括来说,该团队在固态量子计算系统中,首次实验演示了可编程的二维量子行走,并通过对参数的精确调控,让量子可在不同路径结构上进行行走。

  比起光子等系统,超导量子比特系统的参数可调性更优。比如,只需调控比特频率、相邻格点间的隧穿幅和相位、以及体系构型等要素,即可满足不同的实验需求和应用需求。

  超导量子计算已成为最具希望的候选者之一

  尽管还不能立马投入实际应用,但这也说明超导量子比特处理器具备良好的应用前景。就后续进行更复杂量子多体模拟来说,该成果扮演着基石角色。

  一言以蔽之,基于 “祖冲之号” 量子计算原型机的二维可编程量子行走,在通用量子计算、量子搜索算法等领域具备潜在应用能力,更是后续领域内发展的重要方向。

  此外,该成果为促进中国在超导量子系统上实现量子优越性奠定了技术基础,也为后续研究具有重大实用价值的量子计算提供了支持。

  量子计算机是全球科技前沿的重大挑战之一,且已成为世界各国角逐的焦点。一直以来,尽管全球学者在研究量子计算时,使用过多条技术路线,但超导量子计算已成为最具希望的候选者之一,它的核心目标是增加 “可操纵” 的量子比特数量,通过提升操纵精度来实现落地应用。

  由于在原理上量子计算机具备超快的并行计算能力,因此有望通过特定算法,提供高于传统计算机指数级别的加速能力,并有望用于天气预报、材料设计、密码破译、大数据优化、药物分析等领域。

  -End-

  参考:

  https://science.sciencemag.org/content/early/2021/05/05/science.abg7812?rss=1

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