187納秒，見證20量子比特糾纏態奇跡

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

“搖籃”中的量子計算機

關于量子計算機的夢想，起源于20世紀80年代。著名物理學家費曼曾提出設想：既然自然的本質是量子的，人類能否造出1臺遵循量子規律的計算機，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”，人們越發相信，量子計算機的技術一旦成熟，其運算能力將遠超經典計算機。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，比特在經典計算機中如同一個普通開關，或0或1。量子計算機則完全不同，由于量子糾纏與疊加，1個“量子開關”可以同時代表0和1，并被稱為量子比特。1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1臺量子計算機就像許多硬幣同時翩翩起舞。

據了解，量子比特數是衡量量子計算機性能的重要指標之一。多比特量子糾纏態的實驗制備則是衡量量子計算平臺控制能力的關鍵標志，國際競爭尤為激烈。“通過量子糾纏與疊加，n個量子比特相互關聯，可以生成2n種狀態。”研發人員表示，這意味著一個含有n個比特的經典存儲器可以存儲2n個可能數據當中的任意一個，如果是量子存儲器，則可以同時存儲2n個數。相當于2n個經典計算機的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倍增加。

有報道指出，1臺30個量子比特的量子計算機的計算能力和1臺每秒萬億次浮點運算的經典計算機水平相當，是今天經典臺式機速度的1萬倍。然而，目前實驗室中的量子比特原型機仍像搖籃中的嬰兒，到其長大成人發揮作用還需一段漫長的培養過程。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、全局糾纏態的制備規模，都有了穩步提升。

操控由20個人造原子構成的“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，一片“貌不驚人”的芯片，既是保障實驗室運作的大腦，也是研發團隊實現20個超導量子比特量子糾纏的關鍵。“僅1 m2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，實現全局糾纏。全局糾纏通俗地講，即讓所有量子比特協同起來參與工作。量子操縱是量子計算的技術制高點，而實現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，同時還得保持其質量穩定，是一項難度極大的挑戰。”

“薛定諤的貓”是由奧地利物理學家薛定諤于1935年提出的有關貓生死疊加的著名理想實驗，是把微觀領域的量子行為擴展到宏觀世界的推演。實驗是在1個盒子里有1只貓，以及少量放射性物質。之后，有50%的概率放射性物質將會衰變并釋放出毒氣殺死這只貓，同時有50%的概率放射性物質不會衰變，而貓將活下來。根據經典物理學，在盒子里必將發生這兩個結果之一，而外部觀測者只有打開盒子才能知道里面的結果。在量子的世界里，當盒子處于關閉狀態，整個系統則一直保持不確定性的波態。貓到底是死是活必須在盒子打開后，外部觀測者觀測時，物質以粒子形式表現后才能確定，因此貓也處于被殺死和還活著兩種狀態的疊加態。

實驗團隊則將這一實驗思想帶進了現實，并用“薛定諤貓態”來描述捕捉到的現象，強調了這一量子疊加現象的“荒謬性”，即量子世界里可以同時存在多個狀態。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，以及20比特的薛定諤貓態。在短短187納秒之內，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，歷經多次“變身”，最終形成同時存在兩種相反狀態的糾纏態。宋超說：“在經驗世界中看不到的現象，更形象的描述就是一只由20個人造原子構成的‘貓’，即薛定諤貓態。”。

躋身第一梯隊后持續發力

量子計算機的研發是國際科技競爭的熱點領域。據了解，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，實現量子計算的物理體系主要有光學系統、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勢，是目前國際上公認的有希望實現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，實現了當時世界上最大數目的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20比特糾纏的重要原因之一。”許凱總結道。

2019年5月初，實驗團隊曾在預印本網站就該實驗結果進行過公布，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站公布了類似的實驗結果。3個工作報道的糾纏比特數目基本持平，反映了以糾纏態制備為代表的多量子比特相干操控是目前該領域努力的主要方向。

值得尋味的是，人類差不多用了70年的時間，見證了經典計算機從笨重又不穩定、動輒占據整個實驗室、渾身布滿機械閥門的機器發展到便攜的個人電腦、智能手機的進步。當前許多經典計算機很難、甚至無法完成的運算，通過量子計算機來實現。許凱表示，在未來幾十年內，量子計算機能從理論走向應用，完成經典計算機無法解決的大規模計算難題，在密碼破解、藥物設計、人工智能等領域大顯身手。