具有20個超導(dǎo)量子比特的量子芯片示意圖受訪單位供圖
“薛定諤的貓”實(shí)驗(yàn)示意圖 。 貓到底是死是活必須在盒子打開后 ， 外部觀測者觀測時 ， 物質(zhì)以粒子形式表現(xiàn)后才能確定 ， 因此貓也處于被殺死和還活著兩種狀態(tài)的疊加態(tài) 。
近日 ， 浙江大學(xué)、中科院物理所、中科院自動化所、北京計(jì)算科學(xué)研究中心等國內(nèi)單位組成的團(tuán)隊(duì)通力合作 ， 開發(fā)出具有20個超導(dǎo)量子比特的量子芯片 ， 并成功操控其實(shí)現(xiàn)全局糾纏 ， 刷新了此前固態(tài)量子器件中生成12個糾纏態(tài)的量子比特的世界紀(jì)錄 。
“搖籃”中的量子計(jì)算機(jī)
關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的夢想 ， 起源于上世紀(jì)80年代 。 著名物理學(xué)家費(fèi)曼曾提出設(shè)想：既然自然的本質(zhì)是量子的 ， 人類能否造出一臺遵循量子規(guī)律的計(jì)算機(jī) ， 從而更好地認(rèn)識量子世界？
隨著當(dāng)代科學(xué)對量子世界的深入“窺探” ， 人們越發(fā)相信 ， 量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)一旦成熟 ， 其運(yùn)算能力將遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī) 。 計(jì)算機(jī)使用“0”和“1”進(jìn)行信息存儲與處理 ， 作為表示信息的最小單位 ， 比特在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中如同一個普通開關(guān) ， 或0或1 。 量子計(jì)算機(jī)則完全不同 ， 由于量子糾纏與疊加 ， 一個“量子開關(guān)”可以同時代表0和1 ， 并被稱為量子比特 。
“想象一下 ， 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 ， 你看到的既是正面 ， 又是背面 。 ”浙江大學(xué)物理系博士生宋超解釋道 ， 而一臺量子計(jì)算機(jī)就像許多硬幣同時翩翩起舞 。
據(jù)了解 ， 量子比特?cái)?shù)是衡量量子計(jì)算機(jī)性能的重要指標(biāo)之一 。 多比特量子糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備則是衡量量子計(jì)算平臺控制能力的關(guān)鍵標(biāo)志 ， 國際競爭尤為激烈 。
“通過量子糾纏與疊加 ， n個量子比特相互關(guān)聯(lián) ， 可以生成2n種狀態(tài) 。 ”研發(fā)人員表示 ， 這意味著一個含有n個比特的經(jīng)典存儲器可以存儲2n個可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的任意一個 ， 如果是量子存儲器 ， 則可以同時存儲2n個數(shù) 。 相當(dāng)于2n個經(jīng)典計(jì)算機(jī)的CPU同時工作 。 即每增加一個量子比特 ， 量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力將以指數(shù)倍增加 。
有報(bào)道指出 ， 一臺30個量子比特的量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和一臺每秒萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算的經(jīng)典計(jì)算機(jī)水平相當(dāng) ， 是今天經(jīng)典臺式機(jī)速度的一萬倍 。 然而 ， 目前實(shí)驗(yàn)室中的量子比特原型機(jī)仍像搖籃中的嬰兒 ， 到其長大成人發(fā)揮作用還需一段漫長的培養(yǎng)過程 。
近年來 ， 通過科學(xué)家們的努力 ， 不論是單個量子比特的相干性、量子門的保真度 ， 還是量子芯片的集成度、全局糾纏態(tài)的制備規(guī)模 ， 都有了穩(wěn)步提升 。
操控由20個人造原子構(gòu)成的“貓”
拔地而起的鋼架、錯綜復(fù)雜的管線、密集疊放的電路板、嗡嗡作響的制冷機(jī)……在浙江大學(xué)超導(dǎo)量子計(jì)算和量子模擬團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi) ， 一片“貌不驚人”的芯片 ， 既是保障實(shí)驗(yàn)室運(yùn)作的大腦 ， 也是研發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)20個超導(dǎo)量子比特量子糾纏的關(guān)鍵 。
“僅1平方厘米的面積上 ， 20個量子比特被均勻分布于中心諧振腔的周邊 ， 猶如由中心樞紐貫通的各個支路 。 ”由中科院物理所博士生李賀康制備的超導(dǎo)量子比特芯片 ， 采用獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)方案 ， 使所有比特之間都能夠進(jìn)行相互連接 ， 實(shí)現(xiàn)全局糾纏 。
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