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187纳秒,中国科研团队首次实现20个超导量子全局纠缠

发布时间:2019-09-10 23:44:52 所属栏目:物联网 阅读:

近日,中国科研团队在量子计算领域再次创造世界纪录!浙江大学、中科院物理所、中科院自动化所以及北京计算科学研究中心等国内单位合作,开发出具有20个超导量子比特的量子芯片,并成功实现对其操控及全局纠缠!

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。

187纳秒,中国科研团队首次实现20个超导量子全局纠缠


具有20个超导量子比特的量子芯片示意图受访单位供图

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。

187纳秒,中国科研团队首次实现20个超导量子全局纠缠

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。

187纳秒,中国科研团队首次实现20个超导量子全局纠缠

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。

187纳秒,中国科研团队首次实现20个超导量子全局纠缠

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。