“187纳秒，见证20量子比特纠缠态奇迹”

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最近，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部门合作，开发了具有20个超导量子比特的量子芯片，并对其进行操作以实现全球纠缠，在迄今为止的固体量子器件中生成12个纠缠态的量子比特的世界纪录。

“摇篮”的量子计算机

关于量子计算机的梦想，始于20世纪80年代。 著名物理学家费曼设想，既然自然的本质是量子，人类能否制造出符合量子规则的计算机，更好地认识量子世界。

随着现代科学对量子世界的深入“窥探”，量子计算机技术成熟后，其计算能力将远远超过经典计算机。 计算机使用“0”和“1”来记忆和解决新闻，作为表示新闻的最小单位，比特在经典的计算机中就像普通的开关，或者0或者1。 量子计算机完全不同，由于量子纠缠和叠加，“量子开关”表示0和1，称为量子比特。

“想象一下放在桌子上的静止的硬币。 只能看到正面或背面。 快速旋转，可以是正面也可以是背面。 ”。 浙江大学物理系博士生宋超解释说，量子计算机像多个硬币一样翩翩起舞。

已知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制备是衡量量子计算平台控制能力的重要标志，国际竞争尤为激烈。

“通过量子纠缠和叠加，n个量子比特可以相互关联，生成2n种状态”的研究人员说，这意味着包括n比特的经典存储器可以存储2n个可能的数据中的任意一个，如果是量子存储器，则可以存储2n个 相当于2n台经典计算机的cpu，从事。 也就是说，每增加一个量子比特，量子计算机的运算能力就会增加指数倍。

据报道，30个量子位的量子计算机的计算能力相当于每秒一万亿次浮点运算的经典计算机水平，是当今经典桌面速度的1万倍。 但是，目前实验室的量子位样机还像摇篮里的婴儿，长大后要发挥作用还需要很长的培养过程。

近年来，由于科学家们的努力，无论是单量子比特的相干性、量子门的保真度、量子芯片的集成度、全球纠缠态的制造规模，都在稳步提高。

操纵由20个原子组成的“猫”

拔地而成的钢结构、错综复杂的管线、密集堆叠的电路板、嗡嗡作响的制冷机……浙江大学超导量子计算与量子模拟团队的实验室内，有一个“惊人外表”的芯片，用于实验室的

“只有1平方厘米的面积，20个量子位均匀分布在中心谐振器的周边，就像中心集线器贯通的支路。 ”。 中科院物理所博士生李贺康制造的超导量子比特芯片，使用独特的电路设计方案，实现了所有比特之间的互联，实现了全球纠缠。

什么是全球纠缠？ 一般来说，协调所有的量子比特让他们参加工作。 量子操纵是量子计算的技术制高点，实现全球纠缠是检验操纵是否成功的标志。

中科院物理所副研究员许凯介绍说:“必须非常高精度地控制和稳定质量，是一个非常困难的挑战。”

“薛定谔的猫”是奥地利物理学家薛定谔1935年提出的关于猫生死叠加的著名理想实验，是将微观行业的量子行为扩展到宏观世界的推导。 实验是一个箱子里有猫和少量的放射性物质。 之后，50%的概率放射性物质衰变后释放毒气杀死猫，50%的概率放射性物质不衰变，猫生存下去。

根据经典物理学，箱子里一定会发生这两个结果之一，但是外部观测者只要打开箱子就能知道里面的结果。 在量子的世界里，在箱子关闭的状态下，整个系统保持着不明确的波的状态。 猫是否死了，只有在箱子打开后，外部观测者进行观测时，物质才能以粒子的形式表现出来。 因为这只猫也处于被杀或活着两种状态的重叠状态。

实验小组将这一实验思想带入现实，描述用“薛定谔猫态”捕捉的现象，强调这一量子叠加现象的“荒谬性”，即量子世界存在多种状态。

利用该芯片，实验小组生成并标定了18位全局纠缠的ghz状态和20位薛定谔猫状态。 短短187纳秒，是人类眨眼所需时间的百万分之一，从20个个体产生原子的“开始”时的相干状态，经过多次“变身”，最终存在两种相反状态的纠缠态。

“我们确实看到了在经验世界中看不到的现象。 更形象的描述是由20个造原子组成的“猫”，即薛定谔猫的状态。 ”。 宋超说。

进入第一批之后继续努力

量子计算机的研制是国际科技竞争的热点行业。 据悉，谷歌、ibm、微软、英特尔、华为、阿里等高科技企业为此投入了大量研究力量。

目前，实现量子计算的物理系统主要有光学系统、离子阱和量子点等微观系统，基于宏观约瑟夫森效应的超导电路因其可操作性和扩展性等方面的特点，实现了目前国际公认的量子计算

近年来，浙江大学物理系的超导量子计算和量子模拟团队致力于超导量子计算和量子模拟的实验研究，两年前与中科大、中科院物理所、福州大学等合作制造了10位超导量子芯片， 实现了当时世界上最大数量的10个超导量子比特的纠缠，打破了此前谷歌和加州大学圣巴巴拉分校保持的记录，我国在量子计算机研究行业进入国际第一队伍。

“与世界上其他超导量子芯片相比，我们开发的芯片有一个显著的优势。 也就是说，所有比特之间都可以相互连接，这可以提高量子芯片的运行效率，也是我们率先实现20比特纠缠的重要原因之一。 ”。 许凯总结了一下。

5月初，实验小组曾在印本网站上发表过该实验结果，不久美国ibm超导量子计算小组和哈佛大学里德堡原子小组也在印本网站上发表了同样的实验结果。 三个业务报道的纠缠位数基本持平，反映了以纠缠态调制为代表的多量子位干扰控制是当前行业努力的首要方向。

值得一提的是，人类花了差不多70年的时间，证明了经典电脑笨重不稳定，动不动就占据了整个实验室，满是机械阀门的机械迅速发展成为个人电脑、高端智能手机的进步。 目前，多台经典计算机不容易或无法完成的计算，由量子计算机实现，需要多久？

许凯表示，未来几十年内，量子计算机将从理论走向应用，完成经典计算机无法处理的大规模计算问题，有理由期待其活跃在密码破译、药物设计、人工智能等行业。

来源：人民视窗网