谷歌新型量子控制技術：向實用量子計算再進一步

如果你正在開發一台計算能力遠遠超越目前傳統技術的量子計算機，那麼你在做一項非常艱苦的工作。就是這麼個情況：深入研究與全新複雜系統和尖端技術的基礎工作相關的新問題和新情況。

這就是加州大學聖塔芭芭拉分校和谷歌聯合的量子計算研究團隊 Martinis Group 的科學家在探索令人興奮的、但也有些違反直覺的量子計算世界時的生活。在他們發表於 Nature Physics 的一篇論文中，他們和位於新奧爾良的杜蘭大學的同事展示了一個完整的相對簡單的量子處理平台，這個平台可以同時控制 3 個超導量子比特（superconducting qubit）。

「我們在探索我們能力的極限，」這篇論文的主要作者 Pedram Roushan 說。他解釋說，對構建單個量子處理器，目前已經有相當多的研究，但是這個項目特別之處是把這些量子處理器集中在一個基本構建塊（building block）中，這個基本構建塊可以被完全控制並可能擴展到功能性量子計算機中。

然而，在一台完全實用的量子計算機——兼具廣泛、快速和同時計算的潛力——可以被製造出來之前，會出現各種以及有時是不可預測的和自發的情況，研究人員為了追求更精確的控制和設計更複雜的系統，這些情況必須被研究理解。

「你在處理粒子——在這裡是量子比特——它們會發生相互作用，而且它們也會與外部場（external fields）互相作用，」Roushan 說，「這些都需要非常複雜的物理知識。」

為了解決這個特殊的多體問題（many-body problem），他解釋說，他們的完全可控的量子處理系統必須從單個量子比特建立，以便讓研究人員更好地了解可能發生的狀態、行為和相互作用。

通過設計用於操縱其系統中光子自旋的脈衝序列，研究人員創建了一個人造磁場（artificial magnetic field），來影響由 3 個量子比特構成的閉環，使光子不僅能夠與其它光子，而且能夠與人造磁場間有強烈的相互作用。這是不小的進步。

「天然的，大多數能夠比較精準控制的系統是光子系統，」合作者 Charles Neill 說。與電子不同，無電荷的光子通常不會彼此相互作用，也不會與外部磁場相互作用，他解釋說。「在這篇論文中，我們展示了我們可以讓光子之間有非常強烈的相互作用，並且也與磁場有非常強烈的相互作用——為了對光子進行有趣的物理操作，這兩種作用是必需的。」Neill 說。

該合成凝聚態系統（synthetic condensed-matter system）的另一個優點是能夠將其激發到其最低能量狀態——稱為基態——以探測其性質。

但是控制越多，退相干（decoherence）的可能也越大。隨著研究人員努力提高量子比特的可編程性以及對量子比特的干預和讀取能力，他們的系統越開放就越可能導致錯誤和信息丟失。

「我們對量子系統的控制越多，那我們能夠運行的複雜演算法也越多，」合作者 Anthony Megrant 說。「然而，每當我們添加一條控制線（control line），我們也同時引入了一個新的退相干來源。」在單個量子比特的水平上，我們可以容忍微小的誤差，研究人員解釋說，但是，一旦量子比特的數量增加，即使只增加相對很小的數量，誤差也可能呈指數性增長。

「針對這些問題有一些校正方法，這些校正本質上是量子力學，它們會影響我們得到的精度水平，」Neill 說。

為了在提高其控制水平的同時降低可能的錯誤，團隊必須考慮該裝置的電路結構和其中使用的材料。與傳統的單層平面布局（single-level，planar layout）不同，這些研究人員重新設計的電路允許控制線通過自支撐的金屬「橋（bridge）」「跨越（cross over）」其它控制線。因為發現介質——控制導線之間的絕緣材料——是錯誤的一個主要來源。

「我們了解的所有沉積的電介質層（deposited dielectrics）都是非常容易損耗的，」Megrant 說，因此我們引入構造更精確且缺陷較少的介電襯底（substrate）以使退相干的可能性最小化。

根據研究人員的說法，在探索量子系統可能性的道路上，他們的工作正在取得一點一點堅實的進步。加上它們被精心控制的速度，這對於他們真正想實現的可以操作的量子計算機來說是至關重要的。慢的速度可以降低控制誤差，但會使系統更易受到材料所施加的相干限制（coherence limits）和缺陷的影響。

快的速度可以避免材料中缺陷的影響，但也會降低操作者對系統的可控程度，他們說。

Roushan 說：「如果我們可以非常精確地控制這些系統——也許在大概 30 個量子比特的水平上——那麼我們就可以進行傳統計算機無法做到的計算了。」

論文：合成磁場中相互作用的光子的手性基態流（Chiral ground-state currents of interacting photons in a synthetic magnetic field）

摘要：令人著迷的量子物質的多體相（many-body phases）來自於粒子相互作用、空間對稱性和外部場的相互作用。在一個工程系統中生成這些相可以提供對它們的本質的更深刻的見解。使用超導量子比特（superconducting qubit），我們可以在實現合成磁場（synthetic magnetic field）的同時實現強粒子相互作用（strong particle interactions），這是研究量子磁性（quantum magnetism）和分數量子霍爾效應（fractional quantum Hall phenomena）的基本要素之一。該人工磁場是通過正弦調製量子比特耦合（qubit couplings）來合成的。在一個由 3 個量子比特構成了閉環中，我們觀察到了光子的定向循環（directional circulation），這標誌著破碎的時間反演對稱性（broken time-reversal symmetry）。我們的研究證明了通過按相反方向循環的光子空位（photon vacancies，或叫做「洞（hole）」）可以創造強烈的相互作用。這些關鍵元素的組合可以得到手性基態流（chiral ground-state currents）。這篇論文介紹了一種用於設計強相互作用光子的量子相的實驗性平台。

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