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20超導量子比特薛定谔貓態制備獲進展

文章來源:物理研究所 自动化研究所   發布時間:2019-08-12  【字號:     】  

  超导量子计算平台可集成多个量子比特,相干时间长、操控和读出精度高,是实用化、可扩展量子计算主要技术路线之一。衡量量子计算平台性能的一个标志性成果是多量子比特纠缠态的制备,特别是Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态的实验制备,国际竞争尤为激烈。近期,由浙江大学王浩华课题组与中國科學院物理研究所范桁、郑东宁课题组所组成的超导量子计算团队,在长期合作的基础上,最近又与中科院自动化研究所、北京计算科學研究中心等国内单位密切合作,在超导多量子比特纠缠态的制备方面取得新进展。

  中科院物理所研究员范桁、郑东宁、副研究员许凯、博士生李贺康(现浙江大学博士后)、博士张煜然(现北京计算科學研究中心博士后),与浙江大学博士生宋超、教授王浩华、王大伟、中科院院士朱诗尧,以及中科院自动化所研究员蒿杰、助理研究员冯卉等通力合作,经过近两年时间的器件设计与制备、实验测控运行及数据处理,成功将全局量子纠缠的量子比特数目推进到20个,特别是实现了18个量子比特GHZ态制备,其保真度超过GHZ多体真纠缠的判据阈值,并首次展示了20量子比特5组分薛定谔猫态。这一成果将固态系统GHZ态纠缠量子比特数世界纪录从10个推进到18个,薛定谔猫态比特数推进到20个,成果已于8月9日在国际学术刊物《科学》发表(Science 365, 574-577 (2019))。

  同期《科学》上也背靠背发表了哈佛大学Mikhail Lukin组20量子比特薛定谔猫态的工作(Science 365, 570-574 (2019)),他们利用里德堡原子制备了薛定谔猫态并证明其GHZ态的纠缠数目可以达到20量子比特。另外,美国IBM超导量子计算团队的预印本(arXiv:1905.05720)同样报道了其20超导量子比特纠缠态制备的实验工作,数据显示18比特GHZ纠缠态保真度超过了多体真纠缠的阈值判据(0.5),与浙江大学与物理所团队所报道的保真度几乎持平。三篇文章报道的纠缠态比特数目基本处于同样水平,也几乎同时投送到预印本库(浙大物理所团队5月1日提交:arXiv:1905.00320; IBM团队5月14日提交:arXiv:1905.05720; 哈佛团队5月14日同时提交:arXiv:1905.05721),反映了以纠缠态制备为代表的多量子比特相干操控是目前主要的努力目标之一。

  薛定谔猫(态)来源于量子力学奠基人之一薛定谔所提出的一个著名假想实验,设想微观粒子态, |0〉,|1〉,和宏观生命状态猫的死和活相关联,形成相干叠加的量子态形式,|0〉|猫活〉+|1〉|猫死〉,则该只猫既不是死也不是活;同时,薛定谔猫态也和爱因斯坦-波多尔斯基-罗森(EPR)对的量子纠缠态有相似的形式,|00〉+|11〉,只不过爱因斯坦-波多尔斯基-罗森对一般指空间分离的两个微观粒子,1990年提出的GHZ态是薛定谔猫态和EPR对的直接推广, |000〉+|111〉, 但是指出了全局纠缠的概念,因为在不考虑第三个粒子时,GHZ态中任意两个粒子间没有量子纠缠,只有经典关联,所以三个粒子是全局纠缠在一起的。由于这些概念相互关联,而量子态的具体形式又基本相同,现在把多粒子纠缠态|00…0〉+|11…1〉称之为多比特GHZ态,或者两组分的薛定谔猫态,同时把相似的多组分叠加态统称为薛定谔猫态,文章中采取这样的约定,图一展示了薛定谔猫态和GHZ态。

  多量子比特GHZ和薛定谔猫态制备,一方面可用来进行量子力学基本问题探索,比如验证量子态非定域性和互文性(contextuality, 指互不对易的两种测量算子,对系统的测量结果依赖于两个测量的先后顺序)等原理,如贝尔不等式和Mermin不等式等;另一方面如果可以制备各种纠缠态如簇态,则通用量子计算可采用遵从特定时序的单量子比特测量来实现,即单向方式,会大大降低实现量子计算的难度,所以多比特纠缠态的制备是实现单向量子计算的技术基础。

  實驗中所采用的器件上集成有20個超導量子比特,請參考示意圖,其平均相幹時間達到34微秒,全部超過了20微秒,最高達到51微秒,多數集中在30多微秒,所有量子比特可通過同一共振腔産生相互作用,和共振腔的耦合參數幾乎相等,反映了器件制備工藝穩定,有利于GHZ態和薛定谔貓態的制備,每個量子比特都可以精確調控,實驗利用隨機旋轉操作標定的單比特邏輯門保真度都超過0.99,平均達到0.996,長相幹時間、操控精度及讀出、以及相同的共振頻率等都是實驗成功的重要基礎。器件量子比特多對多的構型可以在任意兩個量子比特間産生糾纏和相互作用,有利于實現量子計算多種方案和模擬多種量子現象,圖2展示了實驗所使用的具有20量子比特的超導量子處理器及量子態演化中的布洛赫球分布。實驗中先將每個量子比特都精確制備于位于布洛赫球赤道X方向處的疊加態,然後讓所有量子比特根據系統哈密頓量進行演化,根據器件構型和參數,系統哈密頓量等同于Z算子和的平方,量子態將産生自旋壓縮態,並在不同時間點分別出現5,4,3,2個組分疊加的薛定谔貓態,其中兩組分的薛定谔貓態就是GHZ態。

  GHZ態是一種多體糾纏態,其糾纏判據對應于所制備的量子態和目標態的保真度超過0.5,對實驗精度要求非常之高,保真度由兩部分構成,即占據數和相幹量。以占據數爲例,18量子比特的占據幾率分布有218種,一般需要測量223次得到幾率分布,即測量八百萬次,其中一半必須得到正確的結果,而其它分布是隨機的幾乎可以忽略,實驗中得到保真度約爲0.525±0.005,證明了18量子比特GHZ是多體真糾纏,即此糾纏不是由于部分比特間有糾纏而導致的結果,而是GHZ特有的全局糾纏。

  量子态的演化过程可以很直观地用多量子比特在布洛赫球分布的Q函数来刻画,可以发现在不同的时间点,量子态分别演化为多组分的薛定谔猫态,组分数分别为2, 3, 4, 5, 其中5组分是第一次被实验观测到,因此实验实现了20量子比特的薛定谔猫态,其量子特性可以由魏格纳函数确定,证明20比特薛定谔猫态被成功制备,请参考图1。

  谷歌和IBM选择以超导量子比特作为实现量子计算的技术路线,团队实力强劲,过去有(自)媒体报道谷歌完成了有72个超导量子比特的器件,而IBM已经制备出50左右量子比特的器件,这次IBM团队的論文展示了利用20量子比特器件可以达到18量子比特的GHZ态,保真度比浙大物理所团队稍低,但IBM团队利用逻辑门操作制备GHZ态,技术上又具有一定挑战性,哈佛大学Lukin组同期《科学》文章利用里德堡原子,采用了优化控制和补偿探测效率等方法,实现了20量子比特薛定谔猫态和GHZ态。总体来讲,精度和实验技术上各团队现阶段基本处于同样水准。

  有噪音中小規模量子計算暫時還沒有達到能超越經典計算機的水准,但是有噪音20量子比特的動力學已經很難用經典計算機進行數值模擬,比特信息存儲已達到現有計算機上限,而且會隨量子比特數指數增長。也就是現階段,經典計算機已經不能判斷量子計算結果,是否可以表述爲經典和量子計算能力已經互不可比呢?

  此项实验测试在浙江大学完成,器件设计制备、数据分析等由各单位协作完成,此工作得到国家重点研发计划(No. 2017YFA0304300,No. 2016YFA0300600)、自然科学基金(No. 11725419,No. 11434008)及中科院先導專項(No. XDB28000000)等的支持。

  本文同等貢獻一作爲:宋超(浙江大學),許凱(中科院物理所),李賀康(中科院物理所),通訊作者爲:王浩華(浙江大學)、範桁(中科院物理所)、鄭東甯(中科院物理所)。

    文章鏈接

    图1:量子态的时间演化过程,薛定谔猫态和GHZ态在不同时间点被分别制备,上下两行A、B是数值模拟和实验结果的对照,C部分展示了薛定谔猫态的量子性验证,此图来自《科学》文章配图。

    图2:本示意图背景为实验所使用的具有20超导量子比特的处理器,中间部分对应量子态演化时其在布洛赫球上的分布。




(責任編輯:葉瑞優)

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