中国20量子比特芯片刷新纪录,187纳秒见证薛定谔猫态

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620.jpg量子芯片原理图,带有20个超导量子位,用于访问单元

近日,浙江大学,中国科学院物理研究所,中国科学院自动化研究所,北京计算科学研究中心等国内单位共同开发了具有20个超导量子比特的量子芯片,并且成功地操纵它以实现全局纠缠,令人耳目一新12个纠缠量子位的世界纪录以前是在固态量子器件中生成的。

量子计算机在“摇篮”中

量子计算机的梦想起源于20世纪80年代。着名物理学家费曼曾提出,既然自然的本质是量子的,那么人类能否创造出一种遵循量子定律的计算机来更好地理解量子世界?

随着量子世界在当代科学中“窥探”的深入,人们越来越相信,一旦量子计算机技术的成熟,其计算能力将远远超过传统计算机。计算机使用“0”和“1”作为信息存储和处理,作为最小的信息单元,就像普通计算机中的普通开关或0或1一样。量子计算机完全不同。由于量子纠缠和叠加,“量子开关”可以表示0和1,并且被称为量子位。

“想象一下,硬币放在桌子上,你只能看到它的正面或背面;当你快速旋转时,你会看到正面和背面。“浙江大学物理系博士生宋超解释说,量子计算机就像很多钱币同时跳舞一样。

据了解,量子比特数是衡量量子计算机性能的重要指标之一。多比特量子纠缠态的实验准备是衡量量子计算平台控制能力的关键指标,国际竞争尤为激烈。

“通过量子纠缠和叠加,N个量子比特相互关联,产生2N态。”开发者说,这意味着一个包含N个比特的经典存储器可以存储2N个可能的数据中的任何一个,如果它是量子的话。内存,您可以同时存储2n个数字。相当于2n台经典计算机的CPU同时工作。也就是说,对于每一个附加的量子比特,量子计算机的计算能力将以指数形式增加。

据报道,30量子位计算机的计算能力相当于经典计算机每秒的teraflops,比现在的经典台式机快倍。然而,目前实验室中的量子比特原型仍像婴儿在摇篮中,成长需要长期的训练。

近年来,通过科学家的努力,单个量子比特的相干度、量子门的保真度、量子芯片的集成度以及全球纠缠态的制备规模都在稳步增加。

619.jpg“薛定谔猫”实验示意图。猫是死的还是活的,必须在外部观察者观察到物质后确定,物质以粒子的形式表示。因此,这只猫也处于一种叠加状态,即被杀死,仍然活着。

操纵由20人组成的“猫”制造原子

钢架,错综复杂的管道,密集的电路板,还有吱吱作响的冷却器……在浙江大学超导量子计算和量子模拟小组实验室工作。该芯片不仅是保证实验室运行的大脑,也是发展20超导量子比特量子纠缠的关键。

“在仅1平方厘米的区域内,20个量子比特均匀分布在中心谐振器周围,就像通过中心集线器连接的分支一样。”中国科学院物理研究所博士生李和康编写的超导量子比特芯片采用独特的电路设计,允许所有比特相互连接,实现全局纠缠。

什么是全球纠缠?简而言之,所有量子位都可以协同工作。量子操纵是量子计算的技术制高点,实现全局纠缠是操纵是否成功的标志。

中国科学院物理研究所副研究员徐凯说:“以极高的精度控制它们并保持质量是一项非常艰巨的挑战。”

“薛定谔的猫”是奥地利物理学家薛定谔在1935年提出的关于猫生死叠加的着名理想实验。它是微观领域对宏观世界的量子行为的推论。实验是这样的:盒子里有一只带有少量放射性物质的猫。在此之后,放射性物质腐烂和释放毒气以杀死猫的可能性为50%,而放射性物质不会腐烂的可能性为50%,并且猫将存活。

根据经典物理学,这两个结果中的一个将出现在框中,并且外部观察者只有在打开框时才能知道结果。在量子世界中,当盒子关闭时,整个系统保持不确定的波状态。必须在外部观察者观察物质后确定猫是死还是活,并且物质以颗粒的形式表达。因此,猫也处于被杀死和仍然活着的叠加状态。

实验小组将这一实验想法变为现实,并用“薛定谔猫状态”来描述捕获现象,强调这种量子叠加现象的“荒谬性”,即多个状态可以同时存在于量子世界中。

使用该芯片,实验团队生成并校准了18位全局纠缠GHZ状态,以及20位Schrdinger猫状态。在仅仅187纳秒的时间内,它只是人类眨眼所需时间的百万分之一。 20多个人从“开始”的连贯状态,经过多次“转变”,最终形成同时存在。两个相反状态的纠缠状态。

“我们确实看到了一种在经验世界中无法看到的现象。更生动的描述是由20人组成的'猫',即薛定谔的猫州。”宋超说。

在第一梯队之后继续发挥力量

量子计算机的发展是国际技术竞争的热点。据了解,谷歌,小发猫,微软,英特尔,华为,阿里等高科技公司都投入了大量研究动力。

目前,实现量子计算的物理系统主要包括光学系统,离子阱和量子点等微观系统。基于宏约瑟夫森效应的超导电路目前在国际上基于它们在可控性和可扩展性方面的优势。被认为是承诺实现量子计算的几种物理载体之一。

近年来,浙江大学物理系的超导量子计算和量子模拟团队一直致力于超导量子计算和量子模拟的实验研究。他们两年前与中国科学院,中国科学院物理研究所和福州大学合作创建了10个超导量子芯片,实现了当时世界十大超导量子比特的纠缠,打破了以前由谷歌和加州大学圣巴巴拉分校维护的记录,使中国进入量子计算机研究领域的国际舞台。第一梯队。

“与世界上其他超导量子芯片相比,我们开发的芯片具有非凡的特性,即所有的位都可以相互连接,这可以提高量子芯片的工作效率,我们可以带头实现20位。纠缠的重要原因之一。“徐凯总结道。

5月初,实验组在预印网站上公布了实验结果。不久之后,小发猫超导量子计算团队和哈佛大学里德堡原子团队也在预先印制的网站上发布了类似的实验结果。三个工作报告的纠缠位数基本相同,反映出纠缠态准备所代表的多量子比特相干操作是该领域当前努力的主要方向。

值得注意的是,人类已经花了近70年的时间见证了经典计算机的发展,这些计算机从庞大而不稳定,迫在眉睫的机器,装满机械阀门的机器到便携式PC和智能手机。许多经典计算机难以或无法完成多长时间,并将通过量子计算机实现?

徐凯说,人们有理由期待在未来几十年,量子计算机可以从理论转向应用,完成经典计算机无法解决的大规模计算问题,并在密码破解,药物设计领域展现自己的才能和人工智能。

(原标题187纳秒,见证了20比特的纠缠奇迹)