當前位置:資訊 > 正文

太厲害!中國科研團隊首次實現20個超導量子全局糾纏

2019-08-13 09:30:57  來源:科技日報

近日,中國科研團隊在量子計算領域再次創造世界紀錄!浙江大學、中科院物理所、中科院自動化所以及北京計算科學研究中心等國內單位合作,開發出具有20個超導量子比特的量子芯片,并成功實現對其操控及全局糾纏!

又一項世界紀錄!

繼去年潘建偉團隊實現18個光量子比特糾纏后,近日,由浙江大學、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共同合作,再次在量子計算領域刷新了又一項世界紀錄——開發了具有20個超導量子比特的量子芯片,并成功操控,實現了全局糾纏!

這一重磅成果刊登在了國際頂級雜志《Science》。

這項工作有多厲害?

只需要在短短187納秒之內(相當于人眨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,歷經多次“變身”,最終形成同時存在兩種相反狀態的糾纏態。

20比特量子芯片示意圖

20比特量子芯片示意圖

正如人民日報所評論:

操控這些量子比特生成全局糾纏態,標志著團隊能夠真正調動起這些量子比特。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。

20 個人造原子的 “薛定諤貓”

量子計算的成功依賴于糾纏大規模系統的能力。研究人員開發了各種各樣的平臺,其中以超導量子比特和捕獲原子為基礎的架構是最先進的。

在這樣的量子系統上證明糾纏的可控生成和檢測是大規模量子處理器發展的重要方向。

然而,在完全可控和可擴展的量子平臺上生成和驗證多比特量子糾纏態仍然是一個突出的挑戰。

本研究報告了在一個量子處理器上生成18比特的全局糾纏的GHZ態,以及20比特的薛定諤貓態。

通過設計單軸扭曲哈密頓量,量子比特系統一旦初始化,就會連貫地演化為多分量原子薛定諤貓態 - 即原子相干態的疊加,包括 GHZ 態在預期的特定時間間隔的疊加。

研究人員表示,這種在固態平臺上的方法不僅可以激發人們對探索量子多體系統基礎物理的興趣,而且還能促進量子計量和量子信息處理的實際應用的發展。

下圖顯示了超導量子處理器的結構機器基準特征。

圖1:超導量子處理器及其基準特性

圖1:超導量子處理器及其基準特性

(A)由中央總線諧振器B(灰色)互連的假彩色電路圖像顯示20個超導量子比特(通過順時針方向從1到20標記的青色線條)。每個量子比特都有自己的磁通偏置線(藍色)用于Z控制,16個量子比特具有單獨的微波線(紅色)用于XY控制,而Q4,Q7,Q14和Q17共享相鄰量子比特的微波線。每個量子比特都有自己的讀出諧振器(綠色),它耦合到兩條傳輸線中的一條(橙色),以便同時讀出。還顯示了代表性的量子比特-總線諧振器耦合電容器的放大視圖,其中所示的點處具有不同的電容值,以及測量設置的說明性示意圖。

(B)通過傳輸線的信號頻譜,|S21|,其中量子比特讀出諧振器的響應在下降時可見。

(C)Q20的交換光譜,通過將Q20激勵到|1i然后測量其作為量子比特頻率和延遲時間函數的|1i-state概率(彩色條)而獲得。為消除測量誤差而校正的概率數據(27)來自由垂直白色條紋分開的兩個連續掃描。在掃描期間,其他19個量子比特在Z控制下按頻率進行分類,可以通過人字形圖案進行識別,這是由于Q20與總線諧振器B介導的量子比特之間的相干能量交換導致的。放大視圖是Q20和B之間的直接能量交換。

這個超導量子處理器(圖1)由20個頻率可調的transmon qubit組成,量子比特通過各自的讀出諧振器(圖1 B)進行檢測。

圖2:18個量子比特的GHZ態

圖2:18個量子比特的GHZ態

(A)用于產生和表征N-qubit GHZ態的脈沖序列。

(B)N-qubit GHZ奇偶校驗振蕩。對于每個數據點(藍色圓圈),通過重復脈沖序列大約30×2^N次,來找到原始的2^N占有幾率,然后應用讀出校正來消除測量誤差(27),之后使用最大似然估計來驗證占有幾率并計算奇偶校驗值P。為了估計誤差條(error bars),我們將完整的數據集劃分為幾個子群,每個子群包含大約5×2^N個樣本,并且誤差條對應于從這些子群計算的那些標準偏差。紅線是正弦曲線擬合,條紋幅度對應于|r00。。。0,11。。。1|。對于N=16到18,在整個γ∈[-π/2,π/2]范圍內,如果采樣尺寸為30×2^N時,則重復測量花費的時間過長。用灰線連起來的灰點來自減小了~2^N采樣尺寸的實驗數據,沒有誤差條,作為視覺引導指示正確的N分段振蕩周期。

圖3:多組分原子薛定諤貓態在動態過程中產生20個量子位元

圖3:多組分原子薛定諤貓態在動態過程中產生20個量子位元

圖3顯示在實驗控制條件下,20 個人造原子集體從零時刻起跑后的相干演化動態過程的捕捉。

不到 200 納秒的過程中,人造原子的集體狀態歷經多次變身,在不同時間點出現有不同組份數(對應球中紅色圈的數量)的薛定諤貓態,最終形成 2 組份(同時存在兩種相反狀態)的薛定諤貓態。

A 和 B 圖分別為理論預測和實驗觀察結果。C 圖為根據建議在新視角下對 5 組份薛定諤貓態的重新描繪,球中藍色區域的出現更有力地證明了量子糾纏的存在。

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,歷經多次 “變身”,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,標志著團隊能夠真正調動起這些量子比特。

搶占“量子霸權”制高點,

糾纏態制備是關鍵

由于量子信息技術的潛在價值,歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源,開展國家級的協同攻關。其中,歐盟在2016年宣布啟動量子技術旗艦項目;美國國會則于6月27日正式通過了“國家量子行動計劃”(National Quantum Initiative,NQI),確保自己不會落后其他發展量子技術的國家。

國外高科技巨頭,比如谷歌、微軟、IBM等也紛紛強勢介入量子計算研究,并且頻頻宣告進步。

尤其是谷歌。谷歌從2014年開始研究基于超導的量子計算機。去年3月,谷歌宣布推出 72 量子比特的量子計算機,并實現了 1% 的低錯誤率;去年5月,谷歌在《自然-物理學》發表文章,描述了從隨機量子電路的輸出中采樣位元串(bit-strings)的任務,這可以被認為是量子計算機的“hello world”程序。

在另一篇發表于Science的論文《用超導量子比特演示量子霸權的藍圖》(A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits)中,谷歌闡述了量子霸權的藍圖,并首次實驗證明了一個原理驗證的版本。

不過,IBM、英特爾、谷歌等宣布實現的量子計算機原型,這些量子比特并沒有形成糾纏態。單純比拼物理量子比特數,這一優勢在應用層面尚無太大意義。

前文也說了,多個量子比特的相干操縱和糾纏態制備是發展可擴展量子信息技術,特別是量子計算的最核心指標。為什么?

經典計算機是通過一串二進制代碼 0 和 1 來編碼和操縱信息。量子比特所做的事情在本質上并沒有區別,只是它們能夠處在 0 和 1 的疊加態下。換而言之,當我們測量量子比特的狀態時,會得到一個一定概率的 0 或 1 。

為了用許多這樣的量子比特執行計算任務,它們必須持續地處在一種相互關聯的疊加態下,即所謂的量子相干態。這些量子比特處于糾纏之中,一個比特的變化能夠影響到剩下所有的量子比特。因此,基于量子比特的運算能力將遠遠超過傳統比特。

傳統電子計算機的運算能力隨著比特位的增加呈線性增長,而每增加一個量子比特位,則有可能使量子計算機的運算能力加倍(呈指數增長)。這也就是為什么 5 量子比特位和 50 量子比特位的量子計算機有天壤之別。

不過,真正重要的不僅僅是有多少個量子比特(這甚至不是主要因素),而是量子比特的性能好壞,以及算法是否高效。

五光子、六光子、十光子

到18個光量子,再到20個超導量子,

多粒子糾纏一直引領世界

多粒子糾纏的操縱作為量子計算的技術制高點,一直是國際角逐的焦點。在光子體系,潘建偉團隊在國際上率先實現了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏,一直保持著國際領先水平。

在超導體系,2015年,谷歌、美國航天航空局和加州大學圣芭芭拉分校宣布實現了9個超導量子比特的高精度操縱。這個記錄在2016年底被中國科學家團隊打破:潘建偉、朱曉波、王浩華等自主研發了10比特超導量子線路樣品,通過發展全局糾纏操作,成功實現了當時世界上最大數目的超導量子比特的糾纏和完整的測量。

進一步,研究團隊利用超導量子電路,演示了求解線性方程組的量子算法,證明了通過量子計算的并行性加速求解線性方程組的可行性。相關成果也發表于國際權威期刊《物理評論快報》。

推薦閱讀

格力電器轉股權方案獲批

格力電器的國有股權轉讓終于有了新的進展。8月12日晚間,格力電器發布公告,稱公司當天接到控股股東格力集團書面通知,珠海市人民政府國有 【詳細】

女性模型驚現駱駝趾!《絕地求生》道歉

《絕地求生》的測試服上周迎來了更新,加入了許多新內容,但是不知道玩家們有沒有注意到一個細節。國外細心的網友驚奇地發現女性角色居然有 【詳細】

NASA宇航員年薪多少錢?

據俄羅斯衛星網報道,近日,曾在國際空間站上完成一年任務的美國國家航空航天局(NASA)前宇航員斯科特·凱利表示,NASA宇航員的最高薪金約為 【詳細】

華為營收首超中國移動

4G改變生活,5G改變社會,如今,被稱為下一代信息基礎設施的5G漸行漸近。三大運營商是推動5G建設的主力角色,當然它們需要華為、中興、愛立 【詳細】

揭婚戀平臺套路:轟炸式推銷

短信電話狂轟濫炸不簽協議想走難,上廁所都有人跟著推薦時說學歷是本科,見面卻變專科……近來,不少相親者投訴,部分開通了線上平臺的相親 【詳細】



科技新聞網版權
中国足彩网 梅河口市 | 淄博市 | 昌宁县 | 平度市 | 巴林右旗 | 高淳县 | 博白县 | 桑日县 | 神池县 | 饶河县 | 峡江县 | 临颍县 | 平阴县 | 肇东市 | 湖口县 | 新巴尔虎左旗 | 固原市 | 武平县 | 玉林市 | 安福县 | 武义县 | 延吉市 | 永安市 | 宁河县 | 育儿 | 新余市 | 高清 | 平泉县 | 荃湾区 | 台安县 | 于都县 | 天水市 | 汉川市 | 榕江县 | 贡觉县 | 仁怀市 | 榆中县 | 达日县 | 甘孜县 | 东台市 | 佛教 | 婺源县 | 普陀区 | 扶风县 | 安阳县 | 福海县 | 文山县 | 休宁县 | 云龙县 | 马公市 | 鱼台县 | 扬中市 | 郓城县 | 海丰县 | 米脂县 | 长阳 | 台山市 | 丰县 | 洪湖市 | 金溪县 | 乾安县 | 昌宁县 | 泰来县 | 屯留县 | 西华县 | 贺州市 | 积石山 | 钦州市 | 平泉县 | 沈阳市 | 土默特右旗 | 田林县 | 波密县 | 南充市 | 武穴市 | 农安县 | 临夏县 | 抚州市 | 江达县 | 邳州市 | 西安市 | 宁强县 | 邢台县 | 启东市 | 电白县 | 华池县 | 柯坪县 | 古交市 | 甘德县 | 怀化市 | 永顺县 | 微山县 | 肥东县 | 峨山 | 大田县 | 锡林浩特市 | 丰镇市 | 龙州县 | 金秀 | 乐东 | 枣强县 | 江西省 | 玛曲县 | 溧水县 | 榕江县 | 光山县 | 鹤峰县 | 项城市 | 清丰县 | 南安市 | 乌兰察布市 | 巴彦淖尔市 | 沛县 | 松江区 | 铜川市 | 遂昌县 | 佛坪县 | 女性 | 同江市 | 信丰县 | 开远市 | 尼玛县 | 雷州市 | 益阳市 | 公安县 | 明溪县 | 双鸭山市 | 舒兰市 | 阿合奇县 | 安阳市 | 海晏县 | 友谊县 | 雅江县 | 凌海市 | 方城县 | 高陵县 | 阿鲁科尔沁旗 | 德庆县 | 桑日县 | 大荔县 | 马边 | 汨罗市 | 从江县 | 伊宁县 | 峨眉山市 | 花垣县 | 信丰县 | 苗栗市 | 枝江市 | 尼木县 | 宁波市 | 鹤岗市 | 鲁甸县 | 邢台县 | 辽源市 | 永兴县 | 华坪县 | 鲁山县 | 紫金县 | 石泉县 | 高州市 | 兴城市 | 乳源 | 保康县 | 驻马店市 | 宜丰县 | 鄂托克前旗 | 卓资县 | 恩施市 | 定州市 | 蓝山县 | 米泉市 | 昔阳县 | 东宁县 | 濉溪县 | 泌阳县 | 四川省 | 大竹县 | 息烽县 | 民乐县 | 九寨沟县 | 禹城市 | 靖安县 | 霍州市 | 康保县 | 高要市 | 太仆寺旗 | 丹寨县 | 晋城 | 靖宇县 | 浦北县 | 夏河县 | 策勒县 | 旬邑县 | 阿克苏市 | 凉山 | 玉溪市 | 丹凤县 | 红河县 | 长宁县 | 怀远县 | 综艺 | 冷水江市 | 金山区 | 仲巴县 | 五大连池市 | 莱州市 | 延长县 | 门源 | 西宁市 | 抚顺县 | 三门峡市 | 易门县 | 乌苏市 | 南川市 | 乐昌市 | 平陆县 | 彭山县 | 德清县 | 五台县 | 西昌市 | 漳平市 | 楚雄市 | 宿迁市 | 铜梁县 | 柞水县 | 朔州市 | 桃江县 | 尉犁县 | 焉耆 | 宁乡县 | 嘉义市 | 房山区 | 泸水县 | 荆门市 | 惠来县 | 张家港市 | 和林格尔县 | 太仆寺旗 | 宣化县 | 普格县 | 北京市 | 烟台市 | 贡山 | 海门市 | 汨罗市 | 三台县 | 郁南县 | 烟台市 | 桦甸市 | 太谷县 |