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187納秒，見(jiàn)證20量子比特糾纏態(tài)奇跡( 二 )

小知識(shí)芯片薛定諤量子量子計(jì)算機(jī)超導(dǎo)量子


何謂全局糾纏？通俗地講 ， 即讓所有量子比特協(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 。
中科院物理所副研究員許凱介紹說(shuō)：“要非常高精度地操控它們 ， 同時(shí)還得保持其質(zhì)量穩(wěn)定 ， 是一項(xiàng)難度極大的挑戰(zhàn) 。 ”
“薛定諤的貓”是由奧地利物理學(xué)家薛定諤于1935年提出的有關(guān)貓生死疊加的著名理想實(shí)驗(yàn) ， 是把微觀領(lǐng)域的量子行為擴(kuò)展到宏觀世界的推演 。 實(shí)驗(yàn)是這樣的：在一個(gè)盒子里有一只貓 ， 以及少量放射性物質(zhì) 。 之后 ， 有50%的概率放射性物質(zhì)將會(huì)衰變并釋放出毒氣殺死這只貓 ， 同時(shí)有50%的概率放射性物質(zhì)不會(huì)衰變 ， 而貓將活下來(lái) 。
根據(jù)經(jīng)典物理學(xué) ， 在盒子里必將發(fā)生這兩個(gè)結(jié)果之一 ， 而外部觀測(cè)者只有打開(kāi)盒子才能知道里面的結(jié)果 。 在量子的世界里 ， 當(dāng)盒子處于關(guān)閉狀態(tài) ， 整個(gè)系統(tǒng)則一直保持不確定性的波態(tài) 。 貓到底是死是活必須在盒子打開(kāi)后 ， 外部觀測(cè)者觀測(cè)時(shí) ， 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) 。
實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)則將這一實(shí)驗(yàn)思想帶進(jìn)了現(xiàn)實(shí) ， 并用“薛定諤貓態(tài)”來(lái)描述捕捉到的現(xiàn)象 ， 強(qiáng)調(diào)了這一量子疊加現(xiàn)象的“荒謬性” ， 即量子世界里可以同時(shí)存在多個(gè)狀態(tài) 。
利用該芯片 ， 實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)生成并標(biāo)定了18比特的全局糾纏的GHZ態(tài) ， 以及20比特的薛定諤貓態(tài) 。 在短短187納秒之內(nèi) ， 僅為人類(lèi)一眨眼所需時(shí)間的百萬(wàn)分之一 ， 20個(gè)人造原子就從“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) 。
“我們確實(shí)看到了在經(jīng)驗(yàn)世界中看不到的現(xiàn)象 ， 更形象的描述就是一只由20個(gè)人造原子構(gòu)成的‘貓’ ， 即薛定諤貓態(tài) 。 ”宋超說(shuō) 。
躋身第一梯隊(duì)后持續(xù)發(fā)力
量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)是國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)領(lǐng)域 。 據(jù)了解 ， 谷歌、IBM、微軟、英特爾、華為、阿里等高科技公司都為此投入大量研究力量 。
當(dāng)前 ， 實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的物理體系主要有光學(xué)系統(tǒng)、離子阱和量子點(diǎn)等微觀體系 ， 基于宏觀約瑟夫森效應(yīng)的超導(dǎo)電路由于其在可操控性和可擴(kuò)展性等方面的優(yōu)勢(shì) ， 是目前國(guó)際上公認(rèn)的有希望實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的幾個(gè)物理載體之一 。
近年來(lái) ， 浙江大學(xué)物理系的超導(dǎo)量子計(jì)算和量子模擬團(tuán)隊(duì)一直致力于超導(dǎo)量子計(jì)算和量子模擬的實(shí)驗(yàn)研究 ， 并曾在兩年前同中科大、中科院物理所、福州大學(xué)等合作制造出10比特超導(dǎo)量子芯片 ， 實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)世界上最大數(shù)目的10個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏 ， 打破了之前由谷歌和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校保持的紀(jì)錄 ， 使得我國(guó)在量子計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域進(jìn)入國(guó)際第一梯隊(duì) 。
“與世界上其他的超導(dǎo)量子芯片相比 ， 我們研發(fā)的芯片擁有一個(gè)顯著特點(diǎn) ， 那就是所有比特之間都能夠進(jìn)行相互連接 ， 這能夠提升量子芯片的運(yùn)行效率 ， 也是我們能夠率先實(shí)現(xiàn)20比特糾纏的重要原因之一 。 ”許凱總結(jié)道 。
5月初 ， 實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)曾在預(yù)印本網(wǎng)站就該實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行過(guò)公布 ， 不久后美國(guó)IBM超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)和哈佛大學(xué)里德堡原子團(tuán)隊(duì)也在預(yù)印本網(wǎng)站公布了類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 。 3個(gè)工作報(bào)道的糾纏比特?cái)?shù)目基本持平 ， 反映了以糾纏態(tài)制備為代表的多量子比特相干操控是目前該領(lǐng)域努力的主要方向 。

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