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中国62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”原理如何?能做什么?

时间:2021-05-11 作者:综合报道 阅读:
量子计算与量子信息近年的发展受到国际上的普遍关注,以量子信息科学为代表的量子科技正在不断形成新的科学前沿、激发革命性的科技创新、孕育对人类社会产生巨大影响的颠覆性技术。日前,中国科大中科院量子信息与量子科技创新研究院团队宣布,成功研制62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”,并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。
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中国科大中科院量子信息与量子科技创新研究院(以下简称量子创新研究院)潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队,成功研制了62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”,并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。相关研究成果于2021年5月7日在线发表在国际学术期刊《科学》(Science)杂志上。

此前这一纪录的保持者谷歌实现 “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。”

量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力,可望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面(如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等)相比经典计算机实现指数级别的加速。当前,量子计算机研制作为世界科技前沿的重大挑战之一,已经成为欧美各发达国家竞相角逐的焦点。

超导量子计算,作为最有希望实现可拓展量子计算的候选者之一,其核心目标是如何同步地增加所集成的量子比特数目以及提升超导量子比特性能,从而能够高精度相干操控更多的量子比特,实现对特定问题处理速度上的指数加速,并最终应用于实际问题中。

潘建伟、朱晓波、彭承志等长期瞄准超导量子计算的上述核心目标,取得了一系列重要进展。

超导量子比特中的“漫步者”

2019年初,在一维链结构12比特超导量子芯片上实现了12个量子比特纠缠“簇态”的制备,保真度达到70%(Phys. Rev. Lett. 122, 110501 (2019)),打破了之前创造的10个超导量子比特纠缠的纪录。同时,该团队开创性地将超导量子比特应用到量子行走的研究中,为未来多体物理现象的模拟以及利用量子行走进行通用量子计算的研究奠定了基础(Science 364, 753 (2019))。

随后,团队将芯片结构从一维扩展到准二维,制备出包含24个比特的高性能超导量子处理器,并首次在固态量子计算系统中,实现了超过20比特的高精度量子相干调控(Phys. Rev. Lett. 123, 050502 (2019))。

8×8二维超导量子比特芯片阵列示意图,,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。每个橘色“+”代表一个量子比特,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。(来源:Science

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。量子比特也可看做是一种人工原子,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”。

 

 

1 个漫步者的情况(图自: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。

2 个漫步者的情况(图自: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。

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,当它们在小路上相遇时,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。

单个漫步者的量子行走 (图自: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。

 当处于上图图 A 的情况时,漫步者量子行走的过程演示(图自: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。

两个漫步者的量子行走 (图自: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。

 对于上图中(A)所示情况,漫步者的量子行走过程演示(视频自: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。

在超导量子处理器上实现二维量子行走

去年年底,中国科大朱晓波教授在“量子计算及量子信息研讨会”上表示,超导量子计算领域已经进入了一个阶段——从性能的角度来说,每个比特已经可以满足可扩展,即容错量的计算,超过量子纠错九十九点几的门槛;现在大多数研究团队所关注的是能不能进一步扩展,从而能做大规模的或者说至少在近期能够有一个更高精度和更多比特数目并行的系统。

同时,朱晓波教授指出,中国科大在研究60量子比特的量子处理器,从(2020年)6到8月份开始,已经迭代4次,由于系统的复杂性,原本希望2020年的未来几个月或者是至少2021年上半年能把其量子优越性展示出来,但是现在看来还有不少问题。

当时朱晓波教授表示,中国科大还将继续努力,希望能尽早成功并展示。

终于在今年5月,该团队宣布在自主研制二维结构超导量子比特芯片的基础上,成功构建了国际上超导量子比特数目最多、包含62个比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”,并在该系统上成功进行了二维可编程量子行走的演示。

研究团队在二维结构的超导量子比特芯片上,观察了单粒子及双粒子激发情形下的量子行走现象,实验研究了二维平面上量子信息传播速度,同时通过调制量子比特连接的拓扑结构的方式构建马赫-曾德尔干涉仪,实现了可编程的双粒子量子行走。该成果为在超导量子系统上实现量子优越性展示及可解决具有重大实用价值问题的量子计算研究奠定了技术基础。此外,基于“祖冲之号”量子计算原型机的二维可编程量子行走在量子搜索算法、通用量子计算等领域具有潜在应用,将是后续发展的重要方向。

上述项目受到了中国科学院、安徽省、科技部、上海市和基金委的支持。

责编:Luffy Liu

本文内容参考合肥微尺度物质科学国家研究中心、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部、DEEPTech深科技、《科学》(Science)杂志

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