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参与实现国际最大数目10个超导量子比特的纠缠

浙江大学王浩华课题组助力量子计算机研究突破

发布时间:2017-05-08来源:浙江大学:求是新闻网作者:马宇丹浏览次数:3045

日前,我国在量子计算机研究领域取得突破性进展。浙江大学物理系王浩华课题组参与研发了10比特超导量子芯片,实现了目前世界上最大数目的10个超导量子比特的纠缠,打破了之前由谷歌和加州大学圣塔芭芭拉分校保持的记录,并在4比特超导量子处理器上展示了快速求解线性方程组的量子算法,使得我国在量子计算机研究领域进入国际第一梯队。

1981年著名物理学家费曼首先提出了有关量子计算的设想,量子计算机在解决特定问题上具有经典计算机无法比拟的优势。“实验上实现量子计算的物理体系有很多。相较于光学系统、离子阱和量子点等微观体系,基于宏观约瑟夫森效应的超导电路由于其在可操控性和可扩展性等方面的优势,是目前国际上公认的有希望实现量子计算的几个物理载体之一。”浙江大学物理学系教授、博士生导师王浩华介绍道,“课题组近5年来一直致力于超导量子计算和量子模拟的实验研究。”

量子计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长,多粒子纠缠的操纵是量子计算的技术制高点,一直是国际角逐的焦点。“制备高保真度的多比特量子纠缠态是量子计算领域的一个难点,也是我们的攻坚方向。”王浩华介绍道。此次,王浩华课题组与中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、陆朝阳课题组,福州大学郑仕标课题组,中科院物理所郑东宁课题组等合作,通过高精度脉冲控制和全局纠缠方案,成功实现了10个超导量子比特的纠缠,并完整地刻画了十比特量子态。该文章已于近期在论文预印网站在线(https://arxiv.org/pdf/1703.10302.pdf),引起了国内外广泛关注。

在科学研究与工程应用中,求解线性方程组是一个非常普遍且关键的问题。王浩华课题组与潘建伟、朱晓波、陆朝阳课题组、郑东宁课题组等合作,在一块集成了4个比特的超导量子电路芯片上演示了求解线性方程组的HHL算法。该算法序列使用了近20个量子门的操控,整体保真度超过80%,展现了可集成固态系统用于快速求解线性方程组的潜力,相关成果即将发表在国际权威期刊Physical Review Letters上(论文预印网站链接https://arxiv.org/pdf/1703.06613.pdf)。

此外,王浩华课题组与潘建伟、陆朝阳课题组合作,利用一块由超导谐振腔耦合4个量子比特的超导芯片,通过调控微波信号生成任意子并使任意子相互环绕一周,在国际上首次实现用固态系统模拟有任意子激发的Kitaev模型,证明了非平凡的量子态演变。这一研究成果展示了拓扑编织操作在固态器件中实现的可能性。相关成果作为编辑推荐发表在国际权威期刊Physical Review Letters上(https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.117.110501)。

欧美各国政府,前沿实验室,谷歌、微软、IBM等大型科技公司都加大研究投入并发布研究计划。量子计算的实用价值在哪里?王浩华介绍道,量子计算可以完成经典计算机无法解决的大规模计算难题,在密码分析、气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探等领域具有巨大潜力。

经典计算机的运算能力和晶体管数量成正比,量子计算机的运算能力和量子比特数量呈指数关系。以海量搜索为例可以理解量子叠加的巨大威力:经典算法是逐个抽取条目并与搜索条件进行比对,进而输出结果;但量子计算是同时抽取多个条目并进行比对,进而返回最可靠的条目。当搜索条目数量非常大的时候,量子计算机的优势就非常明显。

量子计算的强大能力源自量子叠加与纠缠的特性。经典计算机中一个比特只能有0或1两种状态;而量子计算机中,一个比特则可以同时处于0和1按照任意比例进行叠加的多种状态。处于纠缠态的多个量子比特能够相互联系,简单来说,就是一个量子比特的行为能瞬间影响到另一个量子比特。一个由n个量子比特组成的量子计算机可以同时处于2n次方种状态,并能够同时对这种状态进行并行操作,其效果相当于经典计算机重复实施2n次操作或一次操作中同时运行2n次方个处理器。

通用型量子计算机能够影响甚至颠覆科学研究和日常生活。

例如,新药研制过程中,为找到最有效的药物,化学家们通常需要进行无数不同分子组合方式的实验。经典计算机很难模拟量子层面的分子互动,但是量子计算机可以在海量的分子组合模式中迅速确定最有可能起效的一种,大大节省研发成本和时间。

又如,目前破译密码需要使用穷举法。但是擅长大数分解的量子计算机,可以将每个密码位上的数字“同时”输入。通用型量子计算机将使大数密码破译变成“小菜一碟”,届时保密通信中使用的RSA密码将不再是“密码”。

拥有大规模计算能力的量子计算机也可以提高天气预报的准确度和精细度、在大量观测信息的基础上缩短地震概率计算时间从而为决策提供依据。

那么,能够比经典计算机更快执行普适任务的通用型量子计算机何时能够问世?王浩华表示,要实现这个目标需要操控数百万个量子比特,在可预见的未来这个目标不太现实。所以我们希望能够构造一个包含50个量子比特的模拟器,在模拟小分子和其他量子系统行为方面超越超级计算机。

(文/摄影  马宇丹)