中国科研团队首次实现20个超导量子全局纠缠

又一项世界纪录！

继去年潘建伟团队实现18个光量子比特纠缠后，近日，由浙江大学、中科院物理所、中科院自动化所、北京计算科学研究中心等国内单位共同合作，再次在量子计算领域刷新了又一项世界纪录——开发了具有20个超导量子比特的量子芯片，并成功操控，实现了全局纠缠！

这一重磅成果刊登在了国际顶级杂志《Science》。

这项工作有多厉害？

只需要在短短187纳秒之内（相当于人眨眼所需时间的百万分之一），20个人造原子从“起跑”时的相干态，历经多次“变身”，最终形成同时存在两种相反状态的纠缠态。

20比特量子芯片示意图

正如人民日报所评论：

操控这些量子比特生成全局纠缠态，标志着团队能够真正调动起这些量子比特。这“璀璨”的187纳秒，见证了人类在量子计算的研究道路上又迈进了一步。

20 个人造原子的 “薛定谔猫”

量子计算的成功依赖于纠缠大规模系统的能力。研究人员开发了各种各样的平台，其中以超导量子比特和捕获原子为基础的架构是最先进的。

在这样的量子系统上证明纠缠的可控生成和检测是大规模量子处理器发展的重要方向。

然而，在完全可控和可扩展的量子平台上生成和验证多比特量子纠缠态仍然是一个突出的挑战。

本研究报告了在一个量子处理器上生成18比特的全局纠缠的GHZ态，以及20比特的薛定谔猫态。

通过设计单轴扭曲哈密顿量，量子比特系统一旦初始化，就会连贯地演化为多分量原子薛定谔猫态 - 即原子相干态的叠加，包括 GHZ 态在预期的特定时间间隔的叠加。

研究人员表示，这种在固态平台上的方法不仅可以激发人们对探索量子多体系统基础物理的兴趣，而且还能促进量子计量和量子信息处理的实际应用的发展。

下图显示了超导量子处理器的结构机器基准特征。

图1：超导量子处理器及其基准特性

（A）由中央总线谐振器B（灰色）互连的假彩色电路图像显示20个超导量子比特（通过顺时针方向从1到20标记的青色线条）。每个量子比特都有自己的磁通偏置线（蓝色）用于Z控制，16个量子比特具有单独的微波线（红色）用于XY控制，而Q4，Q7，Q14和Q17共享相邻量子比特的微波线。每个量子比特都有自己的读出谐振器（绿色），它耦合到两条传输线中的一条（橙色），以便同时读出。还显示了代表性的量子比特-总线谐振器耦合电容器的放大视图，其中所示的点处具有不同的电容值，以及测量设置的说明性示意图。

（B）通过传输线的信号频谱，|S21|，其中量子比特读出谐振器的响应在下降时可见。

（C）Q20的交换光谱，通过将Q20激励到|1i然后测量其作为量子比特频率和延迟时间函数的|1i-state概率（彩色条）而获得。为消除测量误差而校正的概率数据（27）来自由垂直白色条纹分开的两个连续扫描。在扫描期间，其他19个量子比特在Z控制下按频率进行分类，可以通过人字形图案进行识别，这是由于Q20与总线谐振器B介导的量子比特之间的相干能量交换导致的。放大视图是Q20和B之间的直接能量交换。

这个超导量子处理器（图1）由20个频率可调的transmon qubit组成，量子比特通过各自的读出谐振器（图1 B）进行检测。

图2：18个量子比特的GHZ态

（A）用于产生和表征N-qubit GHZ态的脉冲序列。

（B）N-qubit GHZ奇偶校验振荡。对于每个数据点（蓝色圆圈），通过重复脉冲序列大约30×2^N次，来找到原始的2^N占有几率，然后应用读出校正来消除测量误差（27），之后使用最大似然估计来验证占有几率并计算奇偶校验值P。为了估计误差条（error bars），我们将完整的数据集划分为几个子群，每个子群包含大约5×2^N个样本，并且误差条对应于从这些子群计算的那些标准偏差。红线是正弦曲线拟合，条纹幅度对应于|r00。。。0，11。。。1|。对于N=16到18，在整个γ∈[-π/2，π/2]范围内，如果采样尺寸为30×2^N时，则重复测量花费的时间过长。用灰线连起来的灰点来自减小了~2^N采样尺寸的实验数据，没有误差条，作为视觉引导指示正确的N分段振荡周期。

图3：多组分原子薛定谔猫态在动态过程中产生20个量子位元

图3显示在实验控制条件下，20 个人造原子集体从零时刻起跑后的相干演化动态过程的捕捉。

不到 200 纳秒的过程中，人造原子的集体状态历经多次变身，在不同时间点出现有不同组份数（对应球中红色圈的数量）的薛定谔猫态，最终形成 2 组份（同时存在两种相反状态）的薛定谔猫态。

A 和 B 图分别为理论预测和实验观察结果。C 图为根据建议在新视角下对 5 组份薛定谔猫态的重新描绘，球中蓝色区域的出现更有力地证明了量子纠缠的存在。

在短短 187 纳秒之内（仅为人眨一下眼所需时间的百万分之一），20 个人造原子从 “起跑” 时的相干态，历经多次 “变身”，最终形成同时存在两种相反状态的纠缠态。论文标题中，团队用了 “薛定谔猫态” 来描述捕捉到的现象。操控这些量子比特生成全局纠缠态，标志着团队能够真正调动起这些量子比特。

抢占“量子霸权”制高点，

纠缠态制备是关键

由于量子信息技术的潜在价值，欧美各国都在积极整合各方面研究力量和资源，开展国家级的协同攻关。其中，欧盟在2016年宣布启动量子技术旗舰项目；美国国会则于6月27日正式通过了“国家量子行动计划”（National Quantum Initiative，NQI），确保自己不会落后其他发展量子技术的国家。

国外高科技巨头，比如谷歌、微软、IBM等也纷纷强势介入量子计算研究，并且频频宣告进步。

尤其是谷歌。谷歌从2014年开始研究基于超导的量子计算机。去年3月，谷歌宣布推出 72 量子比特的量子计算机，并实现了 1% 的低错误率；去年5月，谷歌在《自然-物理学》发表文章，描述了从随机量子电路的输出中采样位元串（bit-strings）的任务，这可以被认为是量子计算机的“hello world”程序。

在另一篇发表于Science的论文《用超导量子比特演示量子霸权的蓝图》（A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits）中，谷歌阐述了量子霸权的蓝图，并首次实验证明了一个原理验证的版本。

不过，IBM、英特尔、谷歌等宣布实现的量子计算机原型，这些量子比特并没有形成纠缠态。单纯比拼物理量子比特数，这一优势在应用层面尚无太大意义。

前文也说了，多个量子比特的相干操纵和纠缠态制备是发展可扩展量子信息技术，特别是量子计算的最核心指标。为什么？

经典计算机是通过一串二进制代码 0 和 1 来编码和操纵信息。量子比特所做的事情在本质上并没有区别，只是它们能够处在 0 和 1 的叠加态下。换而言之，当我们测量量子比特的状态时，会得到一个一定概率的 0 或 1 。

为了用许多这样的量子比特执行计算任务，它们必须持续地处在一种相互关联的叠加态下，即所谓的量子相干态。这些量子比特处于纠缠之中，一个比特的变化能够影响到剩下所有的量子比特。因此，基于量子比特的运算能力将远远超过传统比特。

传统电子计算机的运算能力随着比特位的增加呈线性增长，而每增加一个量子比特位，则有可能使量子计算机的运算能力加倍（呈指数增长）。这也就是为什么 5 量子比特位和 50 量子比特位的量子计算机有天壤之别。

不过，真正重要的不仅仅是有多少个量子比特（这甚至不是主要因素），而是量子比特的性能好坏，以及算法是否高效。

五光子、六光子、十光子

到18个光量子，再到20个超导量子，

多粒子纠缠一直引领世界

多粒子纠缠的操纵作为量子计算的技术制高点，一直是国际角逐的焦点。在光子体系，潘建伟团队在国际上率先实现了五光子、六光子、八光子和十光子纠缠，一直保持着国际领先水平。

在超导体系，2015年，谷歌、美国航天航空局和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵。这个记录在2016年底被中国科学家团队打破：潘建伟、朱晓波、王浩华等自主研发了10比特超导量子线路样品，通过发展全局纠缠操作，成功实现了当时世界上最大数目的超导量子比特的纠缠和完整的测量。

进一步，研究团队利用超导量子电路，演示了求解线性方程组的量子算法，证明了通过量子计算的并行性加速求解线性方程组的可行性。相关成果也发表于国际权威期刊《物理评论快报》。