愛的「量子糾纏」？來，「量子操縱」了解一下

編者按：昨天有篇10w+的網文《XX導演，我愛你。》刷爆了社交網路。作者有一句話引起了編輯的注意「科學研究說,世界上有量子糾纏這個說法,從我出生起,我便開始與你有了糾纏」。正好，日前中科院量子信息與量子科技創新研究院和阿里雲宣布，他們上線了一台11量子比特的超導量子處理器，並在這款處理器的基礎上開發了一個雲服務系統。今天，我們用科學的方法來學習一下如何操縱量子計算。

中科院量子信息與量子科技創新研究院和阿里雲宣布，他們上線了一台11量子比特的超導量子處理器，並在這款處理器的基礎上開發了一個雲服務系統。

任何人，比如你和我，都可以訪問這個雲系統，然後按照自己的想法，對其中的11個量子比特執行各種計算操作，也就是運行自己的量子計算「程序」。

今天，我們就來嘮一嘮，這個超導量子處理器好不好玩，應該怎麼玩。

在開始玩之前，我們先來猜猜看，量子處理器應該長什麼樣？雖然咱們都不會製造量子處理器，但是可以推想，量子處理器背後的規律是量子力學，量子力學是描述微觀世界的物理定律，所以，能夠用來造量子處理器的東西，恐怕是原子、光子、電子這樣的微觀粒子。

那麼問題來了，量子處理器是用幾個原子、光子、電子造的，你買回來敢往家裡放嗎？萬一找不到了你怨誰？

就算你敢往家裡放，你知道怎麼用嗎？原子、光子、電子這玩意兒誰會操縱？

萬一有一天，你好不容易賣了腎，血拚回來一塊最新版硬體，打算升級一下原有設備，那麼這兩堆原子應該怎樣連起來？

這麼一尋摸，感覺量子處理器就算造出來，咱們老百姓也沒法玩啊。難道科學家就不能造一台長得像計算機的量子計算機嗎？這次雲系統用的量子處理器是用啥材料做的呢？

別著急，今天我給大家安利一款用宏觀材料製造、易上手、可擴展的量子處理器——超導量子處理器。

一、量子處理器居然有電路圖？

超導量子處理器最好玩的地方，就是它真的很像經典計算機的處理器（CPU）。

假如你拆開自己的手機或者電腦，會在電路板上看到啥？肯定會看到導線、電容、電感、電阻啦等等電子元件。如果你拿顯微鏡查看CPU的電路，還能看到二極體、三極體。

同樣的道理，如果你拆開超導量子處理器，就會看到類似這樣的一個電路圖，這不是別的，正是一個超導量子比特的電路圖。

如果你中學學過的知識沒忘，還記得怎麼認電子元件符號的話，就會發現超導量子比特的電路圖咋這麼眼熟？這不就是電容嘛？

這不就是電感嘛？

這不就是接地嗎？

這麼簡單的電路就能產生量子比特？可不是咋的！你有沒有注意到，在這個簡單的電路中，有一個經典計算機電路圖裡看不到的玩意兒，就是這兩個×：

這兩個×可不是畫錯了，它就是曾經獲得過1973年諾貝爾物理學獎的約瑟夫森結。正是因為有了這個結，看似不起眼的電路圖才能搖身一變，變成一個量子比特。那麼，它到底是怎麼變的呢？

二、有了結，咋就成了量子比特？

在經典計算機中，我們用電路中電壓的大小來來表示經典比特中的1和0。例如，有的晶元規定，正12V電壓表示比特1，負12V表示比特0。

同樣的道理，如果我們要用電子元件造量子比特，就得想辦法在電路中整出兩個不同的量子狀態來，一個狀態表示1，一個狀態表示0。可是，我們平時常用的電容、電感，都是線性元件。用它們搭一個電路，產生的量子狀態可不止兩個，而是一堆均勻的量子狀態。

通上電以後，系統很可能在不同的量子狀態上亂竄，你根本控制不了。

而且，只要有電路就會有電阻，你一通上電，它就會一邊計算一邊發熱一邊損耗能量。就算開始不亂套，算上一會兒它也會亂套。

在這種情況下， 科學家自然會想到，有沒有一種不會發熱，不會損耗能量的電子元件呢？而且，它還得是非線性的，能強行造出兩個特殊的量子狀態用來表示1和0？

世界上有一種電子元件滿足這些條件，那就是約瑟夫森結。

約瑟夫森結的結構很簡單，就是在兩個超導體中間加一層薄薄的絕緣體（或者普通導體），比如圖中的鋁-氧化鋁-鋁（鋁需要在低溫下才能進入超導狀態）。

做成這種三明治以後，約瑟夫森結就會展現一種奇怪的非線性效應。

什麼叫非線性呢？讓我們先來看看線性是咋回事。

如果一個線性導體兩邊沒有電壓，就不會有電流通過。

如果在導體兩端加上一點兒電壓，其中就會有電流通過。而且電壓越大，電流也會越大，這就是線性。

約瑟夫森結根本不按套路出牌。你還沒給它加電壓，它就有電流了，而且是一種超導電流。

當你在它的兩端加上一點兒電壓後，它的超導電流不會增大，而是會開始振蕩。

你加大電壓，它的超導電流既沒有變大，也沒有變小，而是會改變超導電流振蕩的相位。

你看，約瑟夫森結的超導電流根本不鳥電壓（在一定電壓範圍內），只是振蕩的相位隨著電壓而變化，這樣的特性就是一種非線性。

在電路中加上約瑟夫森結以後，我們就利用它不按套路出牌的非線性效應，在電路中製造出一組特殊的量子狀態。在這組量子狀態中，有兩個最低能量狀態離得特別近，非常適合用來表示量子比特1和0。

用約瑟夫森結搭建的超導量子電路的狀態，可不是一般的量子狀態，它還有一個朗朗上口的名字，叫作「宏觀量子狀態」。在我個人看來，它確實有點兒像劉慈欣科幻小說中描述的「宏原子」。這就是它的第一個優點：宏觀（具體細節請看結章節附註釋）。

並且，作為一個超導電子元件，雖然約瑟夫森結中需要加一層薄薄的絕緣體，但通上電並把溫度降低到絕對零度附近以後，它既不會發熱，也不會損耗能量。這是它的第二個優點：不損耗能量。

為了實現超導，科學家通常要用稀釋制冷機把它降低到絕對零度之上0.01度左右（10mK），在這麼低的溫度下，電路和環境中的雜訊很少，不容易讓計算出錯。這是它的第三個優點：抗干擾。

想要操縱電路中的超導量子比特可比操縱原子簡單多了，工程師用5GHz的微波就可以輕鬆地搞定，這就是它的第四個優點：易操縱。在量子比特之外加上一個特殊的振蕩電路，就可以讀取比特的狀態，這就是它的第五個優點：易讀取。把幾個量子比特用超導電容連起來，這幾個量子比特就可以發生量子糾纏，這就是它的第六個優點：易規模化。

三、11量子比特的超導量子處理器

當然，真正的11量子比特超導量子處理器不可能是熱狗三明治做的。它使用的超導材料是鋁，襯底是藍寶石（氧化鋁），約瑟夫森結採用的是鋁-氧化鋁-鋁結構。

由於需要在絕對零度附近才能正常工作，平時這個處理器晶元都關在稀釋制冷機中。如果你去實驗室參觀，只能看到這個：

如果你把晶元拿出來，放在顯微鏡底下，你會看到這個：

是不是不明覺厲？其實很好理解。我們來看看它的樣品圖：

在上面那個樣品圖中，十字型或星字型符號就表示一個量子比特。它的真面目就是我們剛才提到的，用約瑟夫森結加上超導電容構成的超導量子比特。

超導量子處理器雖然在實驗室的稀釋制冷機里凍著，但是你可以登錄雲端平台，註冊一個賬號，然後搭建自己的量子線路。它可以實現單比特操作，雙比特操作和多比特讀取等多種操作組合。

四、零基礎教你搭建量子線路

那麼，這個雲平台應該怎麼玩呢？跟經典計算機中的編程不同，你需要直接用一組「量子門」搭建一條線路，讓其中的量子比特從0出發，經過一系列門之後，達到你想要的狀態（一系列0和1的疊加態），然後再去測量它。

比方說，我們要讓三個量子比特（例如，Q4，Q5和Q6），經過一組量子門之後，變成一種特殊的糾纏態。此時，如果你測量它們，就會發現，如果Q4的測量結果是0，那麼Q5和Q6的測量結果也必然是0；如果Q4等於1，那麼Q5和Q6也必然等於1。這就說明三個量子比特之間發生了量子糾纏：整個系統處於三個量子比特都等於0和三個量子比特都等於1的量子疊加態中，這種狀態有個專門的名字，叫作GHZ態。

如何才能讓量子比特變成這樣的狀態呢？在實際的運行中，所謂讓量子比特通過一個量子門，都是通過向電路中輸入微波（或圓滑的方波）實現的。從物理學上來看，我們能進行的量子門操作比較有限。不過從理論上說，如果你足夠有技巧，藉助這幾組有限的量子門操作，是可以演示絕大部分世界上的基礎量子計算演算法的。

在我們的例子中，為了製備GHZ態，你只需要按照下圖的順序，分別將左上角的幾個量子門拖動到線路的相應位置上，

然後按下右上角的運行，再輸入運行次數，

過一會兒，你就會看到自己提交的線路目前排第幾名。

當你排到第1名之後，雲系統很快會運行你的量子線路，然後把幾千次運行結果的統計分布顯示出來。

根據我們之前的討論，如果對理想的GHZ態進行測量，三個比特都是0的結果和都是1的結果應該各佔50%。在上圖顯示的計算結果中，我們的測量結果分別是47.9%（最左邊的藍色柱子）和38.4%（最右邊的藍色柱子）。因此我們粗略估計，這款量子處理器製備的GHZ態的保真度是86%，已經達到了國際前沿水平。

中科院量子信息與量子科技創新研究院和阿里雲讓大家試用這款量子處理器，一方面是為了讓大家能夠體驗量子計算是怎麼回事，另一方面，也希望通過大家一起測試和評估量子計算硬體的優勢和穩定性，不斷努力，提升量子計算硬體的性能，擴展比特數目。期待著終有一天，為大家提供具有實用價值的量子計算雲服務。

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