超導(dǎo)量子比特芯片研發(fā)成功 －解讀中國(guó)量子計(jì)算新進(jìn)展

喜訊！中國(guó)超導(dǎo)量子比特芯片研發(fā)成功。根據(jù)新華社8月9日?qǐng)?bào)道，由浙江大學(xué)、中科院物理所、中科院自動(dòng)化所、北京計(jì)算科學(xué)研究中心等機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)超導(dǎo)量子比特芯片。這是一款具有20個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子芯片，能夠成功實(shí)現(xiàn)全局糾纏，刷新了固態(tài)量子器件中生成糾纏態(tài)的量子比特?cái)?shù)目的世界紀(jì)錄。這一量子計(jì)算新進(jìn)展于8月9日發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

超導(dǎo)量子比特芯片研發(fā)成功 中國(guó)超導(dǎo)量子比特芯片簡(jiǎn)介

據(jù)了解，本次成功研發(fā)的超導(dǎo)量子比特芯片是浙江大學(xué)超導(dǎo)量子計(jì)算和量子模擬團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室迭代的第四代電路設(shè)計(jì)方案，目標(biāo)是讓任意兩個(gè)量子比特之間都能進(jìn)行直接“溝通”，實(shí)現(xiàn)全局糾纏。全局糾纏，是讓所有量子比特協(xié)同起來(lái)參與工作，量子操縱是量子計(jì)算的技術(shù)制高點(diǎn)，而實(shí)現(xiàn)全局糾纏是檢驗(yàn)操縱是否成功的標(biāo)志。

研究人員表示，計(jì)算機(jī)使用“0”和“1”進(jìn)行信息存儲(chǔ)與處理。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)里，一個(gè)比特就如一個(gè)普通開(kāi)關(guān)，或0或1。量子計(jì)算機(jī)由于量子糾纏與疊加特性，一個(gè)量子比特可以同時(shí)代表0和1。“想象一枚擺在桌上靜止的硬幣，你只能看到它的正面或背面;當(dāng)你把它快速旋轉(zhuǎn)起來(lái)，你看到的既是正面，又是背面。于是，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)就像許多硬幣同時(shí)翩翩起舞。”研究人員說(shuō)。

在實(shí)驗(yàn)室控制條件下，研究人員在短短187納秒內(nèi)(人眨一下眼所需時(shí)間的百萬(wàn)分之一)，捕捉到了20個(gè)人造原子從“起跑”時(shí)的相干態(tài)，歷經(jīng)多次變身，最終形成同時(shí)存在兩種相反狀態(tài)的糾纏態(tài)。操控這些量子比特生成全局糾纏態(tài)，標(biāo)志著團(tuán)隊(duì)能夠真正調(diào)動(dòng)起這些量子比特。

超導(dǎo)量子比特芯片研發(fā)成功的重大意義

上世紀(jì)80年代，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼等人提出構(gòu)想，基于兩個(gè)奇特的量子特性——量子疊加和量子糾纏構(gòu)建“量子計(jì)算”。隨著可操縱的量子比特?cái)?shù)量增加，量子計(jì)算的運(yùn)算能力將指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的性能。

當(dāng)前，國(guó)際學(xué)界在多條技術(shù)路線上研究量子計(jì)算，超導(dǎo)量子計(jì)算被認(rèn)為是其中最有可能實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的方案之一。近年來(lái)，中科大潘建偉、朱曉波、彭承志等學(xué)者在超導(dǎo)量子計(jì)算研究方面取得了一系列重要進(jìn)展。其中今年以來(lái)，打破了之前創(chuàng)造的10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏的紀(jì)錄，并開(kāi)創(chuàng)性實(shí)現(xiàn)了“量子隨機(jī)行走”。

量子計(jì)算機(jī)研發(fā)是當(dāng)前國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)領(lǐng)域。谷歌、IBM、微軟、英特爾、華為、阿里巴巴等全球高科技公司都為此投入大量研究力量。據(jù)科研人員介紹，與世界上其他的超導(dǎo)量子芯片相比，此次由中國(guó)科學(xué)家研發(fā)的芯片擁有一個(gè)顯著特點(diǎn)，即所有比特之間都可以進(jìn)行相互連接，這能夠提升量子芯片的運(yùn)行效率，也是能夠率先實(shí)現(xiàn)20比特糾纏的重要原因之一。

超導(dǎo)量子比特芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

潘建偉，男，漢族，1970年3月生，浙江東陽(yáng)人，物理學(xué)家，教授，博士生導(dǎo)師，2005年8月加入九三學(xué)社。

現(xiàn)任九三學(xué)社第十三屆中央委員會(huì)常委、教科衛(wèi)體委員會(huì)委員，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)，中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院院長(zhǎng)，中國(guó)科學(xué)院院士，發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士，奧地利科學(xué)院外籍院士，九三學(xué)社第十四屆中央委員會(huì)副主席，安徽省第十一屆委員會(huì)主委。西湖大學(xué)創(chuàng)校校董會(huì)成員。

2018年12月18日，黨中央、國(guó)務(wù)院授予潘建偉同志改革先鋒稱號(hào)，頒授改革先鋒獎(jiǎng)?wù)?，并獲評(píng)量子信息研究的創(chuàng)新者。2018年12月，入選“中國(guó)改革開(kāi)放海歸40年40人”榜單。2019年1月31日，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)宣布，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授領(lǐng)銜的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星科研團(tuán)隊(duì)被授予2018年度克利夫蘭獎(jiǎng)。 潘建偉和塞林格的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，使安全的廣域量子通信成為可能。2019年4月26日，榮獲2019年度“墨子量子獎(jiǎng)”。

近期，潘建偉團(tuán)隊(duì)與中科院物理所范桁團(tuán)隊(duì)合作，他們?cè)谙到y(tǒng)連接性、讀取效率、操控串?dāng)_及精度等問(wèn)題上反復(fù)實(shí)驗(yàn)探索，成功地將芯片結(jié)構(gòu)從一維擴(kuò)展到準(zhǔn)二維，研制出包含24個(gè)比特的高性能超導(dǎo)量子處理器。并首次在固態(tài)量子計(jì)算系統(tǒng)中，完成對(duì)“玻色—哈伯德”梯子模型多體量子系統(tǒng)的模擬，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)20比特的高精度量子相干調(diào)控。

據(jù)了解，他們的研究顯示了超導(dǎo)量子芯片作為量子模擬平臺(tái)的強(qiáng)大應(yīng)用潛力，為利用多量子比特系統(tǒng)研究多體物理系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，在實(shí)現(xiàn)實(shí)用化量子計(jì)算機(jī)的研究道路上邁出重要一步。

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