近日，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(nèi)單位組成的團隊通力合作，開發(fā)出具有20個超導量子比特的量子芯片，并成功操控其實現(xiàn)全局糾纏，刷新了此前固態(tài)量子器件中生成12個糾纏態(tài)的量子比特的世界紀錄。

“搖籃”中的量子計算機

關(guān)于量子計算機的夢想，起源于上世紀80年代。著名物理學家費曼曾提出設想：既然自然的本質(zhì)是量子的，人類能否造出一臺遵循量子規(guī)律的計算機，從而更好地認識量子世界？

隨著當代科學對量子世界的深入“窺探”，人們越發(fā)相信，量子計算機的技術(shù)一旦成熟，其運算能力將遠超經(jīng)典計算機。計算機使用“0”和“1”進行信息存儲與處理，作為表示信息的最小單位，比特在經(jīng)典計算機中如同一個普通開關(guān)，或0或1。量子計算機則完全不同，由于量子糾纏與疊加，一個“量子開關(guān)”可以同時代表0和1，并被稱為量子比特。

“想象一下，一枚擺在桌上靜止的硬幣，你只能看到它的正面或背面；當你把它快速旋轉(zhuǎn)起來，你看到的既是正面，又是背面。”浙江大學物理系博士生宋超解釋道，而一臺量子計算機就像許多硬幣同時翩翩起舞。

據(jù)了解，量子比特數(shù)是衡量量子計算機性能的重要指標之一。多比特量子糾纏態(tài)的實驗制備則是衡量量子計算平臺控制能力的關(guān)鍵標志，國際競爭尤為激烈。

“通過量子糾纏與疊加，n個量子比特相互關(guān)聯(lián)，可以生成2n種狀態(tài)。”研發(fā)人員表示，這意味著一個含有n個比特的經(jīng)典存儲器可以存儲2n個可能數(shù)據(jù)當中的任意一個，如果是量子存儲器，則可以同時存儲2n個數(shù)。相當于2n個經(jīng)典計算機的CPU同時工作。即每增加一個量子比特，量子計算機的運算能力將以指數(shù)倍增加。

有報道指出，一臺30個量子比特的量子計算機的計算能力和一臺每秒萬億次浮點運算的經(jīng)典計算機水平相當，是今天經(jīng)典臺式機速度的一萬倍。然而，目前實驗室中的量子比特原型機仍像搖籃中的嬰兒，到其長大成人發(fā)揮作用還需一段漫長的培養(yǎng)過程。

近年來，通過科學家們的努力，不論是單個量子比特的相干性、量子門的保真度，還是量子芯片的集成度、全局糾纏態(tài)的制備規(guī)模，都有了穩(wěn)步提升。

操控由20個人造原子構(gòu)成的“貓”

拔地而起的鋼架、錯綜復雜的管線、密集疊放的電路板、嗡嗡作響的制冷機……在浙江大學超導量子計算和量子模擬團隊的實驗室內(nèi)，一片“貌不驚人”的芯片，既是保障實驗室運作的大腦，也是研發(fā)團隊實現(xiàn)20個超導量子比特量子糾纏的關(guān)鍵。

“僅1平方厘米的面積上，20個量子比特被均勻分布于中心諧振腔的周邊，猶如由中心樞紐貫通的各個支路。”由中科院物理所博士生李賀康制備的超導量子比特芯片，采用獨特的電路設計方案，使所有比特之間都能夠進行相互連接，實現(xiàn)全局糾纏。

何謂全局糾纏？通俗地講，即讓所有量子比特協(xié)同起來參與工作。量子操縱是量子計算的技術(shù)制高點，而實現(xiàn)全局糾纏是檢驗操縱是否成功的標志。

中科院物理所副研究員許凱介紹說：“要非常高精度地操控它們，同時還得保持其質(zhì)量穩(wěn)定，是一項難度極大的挑戰(zhàn)。”

“薛定諤的貓”是由奧地利物理學家薛定諤于1935年提出的有關(guān)貓生死疊加的著名理想實驗，是把微觀領(lǐng)域的量子行為擴展到宏觀世界的推演。實驗是這樣的：在一個盒子里有一只貓，以及少量放射性物質(zhì)。之后，有50%的概率放射性物質(zhì)將會衰變并釋放出毒氣殺死這只貓，同時有50%的概率放射性物質(zhì)不會衰變，而貓將活下來。

根據(jù)經(jīng)典物理學，在盒子里必將發(fā)生這兩個結(jié)果之一，而外部觀測者只有打開盒子才能知道里面的結(jié)果。在量子的世界里，當盒子處于關(guān)閉狀態(tài)，整個系統(tǒng)則一直保持不確定性的波態(tài)。貓到底是死是活必須在盒子打開后，外部觀測者觀測時，物質(zhì)以粒子形式表現(xiàn)后才能確定，因此貓也處于被殺死和還活著兩種狀態(tài)的疊加態(tài)。

實驗團隊則將這一實驗思想帶進了現(xiàn)實，并用“薛定諤貓態(tài)”來描述捕捉到的現(xiàn)象，強調(diào)了這一量子疊加現(xiàn)象的“荒謬性”，即量子世界里可以同時存在多個狀態(tài)。

利用該芯片，實驗團隊生成并標定了18比特的全局糾纏的GHZ態(tài)，以及20比特的薛定諤貓態(tài)。在短短187納秒之內(nèi)，僅為人類一眨眼所需時間的百萬分之一，20個人造原子就從“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)。

“我們確實看到了在經(jīng)驗世界中看不到的現(xiàn)象，更形象的描述就是一只由20個人造原子構(gòu)成的‘貓’，即薛定諤貓態(tài)。”宋超說。

躋身第一梯隊后持續(xù)發(fā)力

量子計算機的研發(fā)是國際科技競爭的熱點領(lǐng)域。據(jù)了解，谷歌、IBM、微軟、英特爾、華為、阿里等高科技公司都為此投入大量研究力量。

當前，實現(xiàn)量子計算的物理體系主要有光學系統(tǒng)、離子阱和量子點等微觀體系，基于宏觀約瑟夫森效應的超導電路由于其在可操控性和可擴展性等方面的優(yōu)勢，是目前國際上公認的有希望實現(xiàn)量子計算的幾個物理載體之一。

近年來，浙江大學物理系的超導量子計算和量子模擬團隊一直致力于超導量子計算和量子模擬的實驗研究，并曾在兩年前同中科大、中科院物理所、福州大學等合作制造出10比特超導量子芯片，實現(xiàn)了當時世界上最大數(shù)目的10個超導量子比特的糾纏，打破了之前由谷歌和加州大學圣塔芭芭拉分校保持的紀錄，使得我國在量子計算機研究領(lǐng)域進入國際第一梯隊。

“與世界上其他的超導量子芯片相比，我們研發(fā)的芯片擁有一個顯著特點，那就是所有比特之間都能夠進行相互連接，這能夠提升量子芯片的運行效率，也是我們能夠率先實現(xiàn)20比特糾纏的重要原因之一。”許凱總結(jié)道。

5月初，實驗團隊曾在預印本網(wǎng)站就該實驗結(jié)果進行過公布，不久后美國IBM超導量子計算團隊和哈佛大學里德堡原子團隊也在預印本網(wǎng)站公布了類似的實驗結(jié)果。3個工作報道的糾纏比特數(shù)目基本持平，反映了以糾纏態(tài)制備為代表的多量子比特相干操控是目前該領(lǐng)域努力的主要方向。

值得尋味的是，人類差不多用了70年的時間，見證了經(jīng)典計算機從笨重又不穩(wěn)定、動輒占據(jù)整個實驗室、渾身布滿機械閥門的機器發(fā)展到便攜的個人電腦、智能手機的進步。當前許多經(jīng)典計算機很難、甚至無法完成的運算，通過量子計算機來實現(xiàn)，又將經(jīng)過多久？

許凱表示，人們有理由期待，在未來幾十年內(nèi)，量子計算機能從理論走向應用，完成經(jīng)典計算機無法解決的大規(guī)模計算難題，在密碼破解、藥物設計、人工智能等領(lǐng)域大顯身手。