中國學者量子計算新進展：20個超導量子比特的薛定諤貓糾纏

在浙大超導量子計算和量子模擬實驗室奮鬥的青年們，包括即將入學和剛畢業不久的博士生（從左到右依次是張敘，劉武新，郭秋江，任文慧，宋超，許凱，董航，王震）。他們的辛勤工作是團隊科研能夠不斷前進的源動力。

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晶元，並成功操控其實現全局糾纏，刷新了固態量子器件中生成糾纏態的量子比特數目的世界記錄。這一進展今天發表於《科學》雜誌。

多比特量子糾纏態的實驗製備是衡量量子計算平台控制能力的關鍵標誌，國際競爭尤為激烈。經過近兩年時間的器件設計與製備、實驗測控及數據處理，由中國學者組成的聯合團隊成功將糾纏的比特數目推進到20。

20比特量子晶元示意圖。

浙大物理系博士生宋超、中科院物理所許凱副研究員和博士生李賀康為論文共同第一作者。中科院物理所范桁研究員、鄭東寧研究員和浙大王浩華教授為共同通訊。其他作者包括浙大王大偉教授、朱詩堯院士，中科院自動化所蒿傑研究員、馮卉助理研究員，北京計算科學研究中心張煜然博士，以及浙大物理系承擔超導量子計算和量子模擬實驗的青年團隊（全部作者及單位信息參見論文）。

「搖籃」中的量子計算機

關於量子計算機的夢想始於上世紀80年代。1982年，著名物理學家費曼提出設想：既然自然的本質是量子態的，我們能否造出一台遵循量子規律的計算機，去更好的認識量子世界？人們意識到，量子計算機的技術一旦成熟，它的運算能力將遠遠超越經典計算機。

計算機使用「0」和「1」進行信息存儲與處理。在經典計算機里，一個比特就如一個普通開關，或0或1。量子計算機則完全不同，由於量子糾纏與疊加，一個「量子開關」可以同時代表0和1，我們稱之為量子比特。想像一下，一枚擺在桌上靜止的硬幣，你只能看到它的正面或背面；當你把它快速旋轉起來，你看到的既是正面，又是背面。於是，一台量子計算機就像許多硬幣同時翩翩起舞。

量子比特數，是衡量量子計算機性能的重要指標之一。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。也就是說，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，如果它是量子存儲器，則可以同時存儲2n個數。相當於2n個經典計算機的CPU同時工作。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，一台30個量子比特的量子計算機的計算能力和一台每秒萬億次浮點運算的經典計算機水平相當，是今天經典台式機速度的一萬倍。人們相信，一旦量子比特數達到50以上，它就能在處理某些特定問題時展現超越超級計算機的運算能力。

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、動輒佔據整個實驗室、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；但還有許多經典計算機很難甚至無法完成的運算，量子計算機則可以勝任。我們完全有理由期待，在未來幾十年內，量子計算機能從理論走嚮應用，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、人工智慧等領域大顯身手。

然而，在澎湃的想像面前，實驗室中的原型機仍像搖籃中的嬰兒，到其長大成人發揮作用還需有漫長不懈怠的培養過程。近年來，不論是單個量子比特的相干性、量子門的保真度，還是量子晶元的集成度、全局糾纏態的製備規模，都在穩步提升。此前，中國科技大學的研究團隊創造了操縱12個量子比特實現糾纏態的記錄。如今，這個數字被刷新，人類能夠同時精確操控20個量子比特進行工作。

20個人造原子的「薛定諤貓」

浙江大學西溪校區西面的一幢教學樓，狹長的過道深處就是浙江大學超導量子計算和量子模擬團隊的實驗室，超導量子比特晶元設計、平台搭建、測控工作都在這裡完成。拔地而起的鋼架，錯綜複雜的管線、密集疊放的電路板、嗡嗡作響的制冷機……博士生宋超介紹道，這整個房間就是一台量子計算機，它的「大腦」就在一個直徑80公分的圓柱形大「冰箱」的底部。

藉助於顯微鏡，這1平方厘米的「大腦」——超導量子比特晶元露出真容。20個量子比特，均勻分布於中心諧振腔的周邊，猶如由中心樞紐貫通的各個支路。「這是我們實驗室迭代的第四代電路設計方案，目標是讓任意兩個量子比特之間都能進行直接『溝通』，實現全局糾纏。」晶元的設計者之一，本科生張敘說。這樣的晶元則是由中科院物理所李賀康博士製備的，他在近期作為博士後加盟浙大，有望在浙大微納加工中心做出更複雜的晶元。

全局糾纏，通俗的理解就是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誌。「能夠非常高精度地操控他們，然後同時還能保持質量穩定，這是一項難度極大的挑戰。」許凱介紹說。許凱6年前到浙大讀研開始涉足超導量子計算領域，去年獲得博士學位並加盟中科院物理所開始組建自己的實驗室。

論文的兩位共同一作宋超和許凱在量子計算實驗平台邊討論。

實驗團隊利用這一晶元生成並標定了18比特的全局糾纏的GHZ態，以及20比特的薛定諤貓態。「我們確實看到了在經驗世界中看不到的現象，用更形象就是——一隻由20個人造原子構成的『貓』，薛定諤貓態。」宋超說。

實驗中先將每個量子比特都精確製備於相同量子態，然後操控所有量子比特根據系統參數進行演化。隨著時間的推移，實驗人員觀察到量子態在最開始會被壓縮，之後在不同時間點分別出現5,4,3,2個組分疊加的薛定諤貓態——在這些時刻，整個系統同時處於不同狀態的疊加。上下兩圖分別為理論預測和實驗觀察結果。最右圖為實驗人員根據某英國教授的建議，從新的視角對5組分薛定諤貓態重新觀測的結果，更有力地證明了5個狀態組分之間量子糾纏的存在。

在短短187納秒之內（僅為人眨一下眼所需時間的百萬分之一），20個人造原子從「起跑」時的相干態，最終形成同時存在兩種相反狀態的糾纏態。論文標題中，團隊用了「薛定諤貓態」來描述捕捉到的現象。操控這些量子比特生成全局糾纏態，標誌著團隊能夠真正調動起這些量子比特。

正是這「璀璨」的187納秒，見證了人類在量子計算的研究道路上又邁進了一步。

第一梯隊

量子計算機的研發是國際科技競爭的熱點領域。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，基於宏觀約瑟夫森效應的超導電路由於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於超導量子計算和量子模擬的實驗研究。2017年，團隊與中科大潘建偉研究團隊合作10比特超導量子晶元，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聖塔芭芭拉分校保持的記錄，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晶元相比，我們研發的晶元擁有一個顯著特點，那就時所有比特之間都能夠進行相互連接，這能夠提升量子晶元的運行效率，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。

據介紹，該工作最早於5月1日公佈於預印本網站（arXiv:1905.00320）。第二天，團隊就收到了一封來自英國教授的郵件，對實驗結果表示了讚賞。「他在信中提供了很好的研究建議，我們用他的方法補充了實驗，更加充分地驗證了我們的研究成果。」宋超說，在《科學》雜誌的論文中，研究團隊特意致謝了這位素未謀面的英國教授。

5月14日，美國IBM超導量子計算團隊（arXiv:1905.05720）和哈佛大學裡德堡原子團隊（arXiv:1905.05721）也在預印本網站公布了類似的實驗結果。三個工作報道的糾纏比特數目基本持平，反映了以糾纏態製備為代表的多量子比特相干操控是目前努力的主要方向。今天,《科學》同期還刊發了美國哈佛大學Lukin教授團隊20個裡德堡原子的糾纏實驗。

這一研究得到了浙大「雙一流」建設專項經費、國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中科院重點研究計劃的支持。

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