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中国科学家研发20个超导量子比特芯片 取得重要进展

来源:杂志刊 时间:2019-08-10 作者:中聘网_招聘网_人才网 浏览量:

 新安晚报 安徽网 大皖客户端讯 记者从中国科学技术大学获悉,该校潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的超导量子实验团队,联合中国科学院物理研究所范桁理论小组,在超导量子计算实验领域取得重要进展,在一个集成了24个量子比特的超导量子处理器上,通过对超过20个超导量子比特的高精度相干调控,实现了 Bose-Hubbard 梯子模型多体量子系统的模拟。该研究成果于7月30日在线发表在国际权威期刊《物理评论快报》上。

  超导量子计算被普遍认为是最有可能率先实现实用化量子计算的方案之一,因而备受关注。作为量子计算的基本单元——量子比特不同于非“0”即“1”的经典比特,可以处于“0”态和“1”态之间的所谓“量子相干叠加态”。当人们把量子叠加拓展到多量子比特体系,就自然导致了量子纠缠的概念。多个量子比特一旦实现了相干叠加,其代表的状态空间将会随着量子比特的数目指数增加。这也被认为是量子计算能够有指数加速能力的根源所在。目前超导量子计算的核心目标正是如何同步地增加所集成的量子比特数目以及提升超导量子比特性能,从而能够高精度相干操控更多的量子比特,实现对特定问题处理速度上的指数加速,并最终应用于实际问题中。

  潘建伟、朱晓波等一直以来瞄准着超导量子计算的上述核心目标,取得了一系列重要进展。例如,在2019年初,在一维链结构12比特超导量子芯片上实现了最大规模的超导量子比特纠缠态12比特“簇态”的制备,保真度达到70%(Phys. Rev. Lett. 122, 110501 (2019)),打破了之前创造的10个超导量子比特纠缠的纪录。随后,该团队开创性地将超导量子比特应用到量子行走的研究中, 为未来多体物理现象的模拟以及利用量子行走进行通用量子计算的研究奠定了基础(Science 364, 753 (2019))。最近,团队在准二维系统连接性,读取效率,操控串扰及精度等问题上反复实验和摸索,成功地将芯片结构从一维扩展到准二维,制备出包含24个比特的高性能超导量子处理器,首次在固态量子计算系统中,实现了超过20比特的高精度量子相干调控。

  研究团队以24比特超导量子处理器为平台,开展量子多体系统动力学问题的模拟研究,在超导量子芯片上实现了对 Bose-Hubbard 梯子模型多体量子系统的模拟,观察到了单激发和双激发两种模式下完全不同的独特动力学过程,显示了超导量子芯片作为量子模拟平台的强大应用潜力,对强关联多体系统统计学特性研究有重要的指导意义,为利用多量子比特系统研究多体物理系统奠定了基础。

  中国科学技术大学朱晓波是负责该项工作实验部分的通讯作者,中国科学院物理研究所范桁是负责理论部分的通讯作者。叶杨森(中国科学技术大学)、葛自勇(中国科学院物理研究所)和吴玉林(中国科学技术大学)是文章的共同第一作者。

  该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院、安徽省、上海市科委、教育部等单位的支持。

  新安晚报 安徽网 大皖客户端记者 陈牧

研究团队合作开发20个超导量子比特的量子芯片

 

本报讯 8月9日,《科学》杂志刊发了中国学者在量子计算研究中的新进展。由浙江大学、中科院物理研究所、中科院自动化研究所、北京计算科学研究中心等国内单位组成的团队通力合作,开发出具有20个超导量子比特的量子芯片,并成功操控其实现全局纠缠,刷新了固态量子器件中生成纠缠态的量子比特数目的世界纪录。

量子比特数,是衡量量子计算机性能的重要指标之一。每增加一个量子比特,量子计算机的运算能力将以指数倍增加。有报道指出,一台30个量子比特的量子计算机的计算能力和一台每秒万亿次浮点运算的经典计算机水平相当,是今天经典台式机速度的1万倍。人们相信,一旦量子比特数达到50以上,它就能在处理某些特定问题时展现超越超级计算机的运算能力。

全局纠缠,通俗的理解就是让所有量子比特协同参与工作。量子操纵是量子计算的技术制高点,实现全局纠缠是检验操纵是否成功的标志。“高精度地操控它们,同时还能保持质量稳定,是一项难度极大的挑战。”论文共同第一作者、中科院物理所副研究员许凯介绍说。

实验团队利用这一芯片,生成并标定了18比特的全局纠缠的GHZ态,以及20比特的薛定谔猫态。“我们确实看到了在经验世界中看不到的现象,形象地说就是一只由20个人造原子构成的‘猫’,薛定谔猫态。”论文共同第一作者、浙江大学物理系博士生宋超说。

在短短187纳秒之内(人眨一次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。这“璀璨”的187纳秒,见证了人类在量子计算研究道路上又迈出的一步。

“与世界上其他的超导量子芯片相比,我们研发的芯片拥有一个显著特点,那就是所有比特之间都能够进行相互连接,这能够提升量子芯片的运行效率,也是我们能够率先实现20比特纠缠的重要原因之一。”许凯总结道。

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关键标志,国际竞争尤为激烈。据介绍,该工作最早于5月1日公布于预印本网站。5月14日,美国IBM超导量子计算团队和哈佛大学里德堡原子团队也在预印本网站公布了类似的实验结果。三个工作报道的纠缠比特数目基本持平,反映了以纠缠态制备为代表的多量子比特相干操控是目前努力的主要方向。(崔雪芹

本词条由“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目 审核 。
所谓量子芯片就是将量子线路集成在基片上,进而承载量子信息处理的功能。借鉴于传统计算机的发展历程,量子计算机的研究在克服瓶颈技术之后,要想实现商品化和产业升级,需要走集成化的道路。目前,超导系统、半导体量子点系统、微纳光子学系统、甚至是原子和离子系统,都想走芯片化的道路。从目前的发展看,超导量子芯片系统从技术上走在了其它物理系统的前面;传统的半导体量子点系统也是目前人们努力探索的目标,因为毕竟传统的半导体工业发展已经很成熟,如半导体量子芯片在退相干时间和操控精度上一旦突破容错量子计算的阈值,有望集成传统半导体工业的现有成果,大大节省开发成本。
  • 中文名

  • 量子芯片

  • 外文名

  • Quantum Chip

  • 领    域

  • 量子物理 量子生物

  • 时    间

  • 2015年7月17日

目录

  1. 1 研究

  2. 2 人工智能

  3. 3 可防盗刷

研究

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中科院量子信息重点实验室教授郭国平、肖明与合作者成功实现了半导体量子点体系的两个电荷量子比特的控制非逻辑门,成果于2015年7月17日发表在《自然—通讯》上 [1]  。中科院量子信息重点实验室郭国平教授半导体量子芯片研究组及其合作者又破世界纪录,通过实验成功实现世界上最快速量子逻辑门操作,取得半导体量子芯片研究的重要突破。 [2] 
传统砷化镓半导体量子点量子比特研究 [3] 
半导体量子点由于其良好的扩展性和集成性是实现固态量子计算的最有力候选者。由单电子在双量子点中的左右量子点的占据态编码的电荷量子比特有众多的优越性,成为量子计算研究最热门的研究方向。首先,电荷量子比特门操作速度可以较大范围的调节,达到GHz的频率;其次,电荷量子比特的制备、操控和读取可以用全电学操控来完成;最后,电子电荷自由度作为量子比特可以与现有信息处理技术兼容,并且可以利用先进的半导体工艺技术完成大面积的扩展和集成。
一个单量子比特逻辑门操控和一个两量子比特受控非门可以组合任意一个普适量子逻辑门操控,而实现普适量子逻辑门操控是实现量子信息处理过程的最关键技术。国际上主要有美国哈佛大学、威斯康星大学等集中在电子电荷量子比特的量子计算研究,我们研究团队在2013年成功实现了半导体超快普适单比特量子逻辑门(Nat. Commun.,4.1401,2013),经过两年的摸索和积累,研究组在2015年成功实现两个电荷量子比特的控制非门,其操控最短在200皮秒以内完成。相对于国际上目前电子自旋两量子比特的最高水平,新的半导体两量子比特的操控速度提高了数百倍。单比特和两比特的量子逻辑门的完成,表明量子计算所需的所有基本量子逻辑门都可以在半导体上通过全电控制方式实现。这种方式具有操控方便、速度超快、可集成化、并兼容传统半导体电子技术等重要优点,是进一步研制实用化半导体量子计算的坚实基础。
图示为单量子比特操控和两量子比特操控实验样品和实验测量图。
新型非掺杂砷化镓和硅锗异质结量子比特的制备和操控研究
传统的砷化镓量子点是基于掺杂的砷化镓铝异质结中的二维电子气上形成的。由于掺杂不可避免的削弱电子电荷和自旋的稳定性,从而增加了量子比特受到掺杂电子电荷噪声的影响,缩短了量子比特的弛豫时间,加快了量子比特的的退相干过程。以解决上述问题为目标,分别采用非掺杂GaAs和SiGe异质结进行新型双层结构量子点器件的设计和制备,减小电荷噪声的影响,排除核自旋的影响,延长量子比特的退相干时间,实现单电子电荷和自旋量子比特的制备、测量和操控。新型量子点器件是继承传统量子点器件可集成性等优势的同时,又具有高迁移率、强稳定性的增强型量子点研究体系,是实现多量子比特耦合的基础。
基于非掺杂砷化镓异质结的电荷量子比特和基于非掺杂SiGe异质结的电子自旋量子比特研究都是相关研究中的新兴热门领域,特别是基于SiGe量子点的自旋量子比特由于其没有核自旋,具有较长的量子退相干时间。我们研究团队成功制备了两种材料的双量子点器件,完成了砷化镓量子点的表征和电子弛豫时间以及退相干时间的测量,正在开展进一步的实验研究。
图示为新型非掺杂砷化镓和硅锗双量子点样品的结构图和实验测量。
半导体量子点与超导腔耦合的复合量子比特以及多量子比特扩展
基于半导体量子点的量子计算方案都是利用相邻量子点量子比特之间的交换相互作用来实现多比特的量子逻辑门操作,非近邻量子比特之间的逻辑门操作需要通过一系列近邻门操作组合完成,这大大增加了计算过程中逻辑门操作的数量和难度。最近有些理论工作提出借用超导量子比特系统中的超导传输谐振腔等概念来实现半导体量子点非近邻量子比特耦合的量子数据总线,但是相应的实验还处于起步和摸索阶段。不过半导体量子点和超导谐振腔为我们提供一种崭新的物理体系,同时很好的兼容了传统半导体产业各种微纳米工艺和技术,在未来的信息处理器中具有广阔的应用前景。我们团队提出了最早的非强耦合条件下的超导传输谐振腔与量子点量子计算理论方案(Phys. Rev. Lett. 101, 230501 (2008).),大大降低了实验的要求和难度。
我们研究团队在半导体量子点的制备和操控方面积累了大量的实验经验和技术,对超导谐振腔体的制备和表征也掌握关键的工艺技术。经过几年研究积累,完成了超导谐振腔与石墨烯双量子点以及超导谐振腔与两个石墨烯双量子点实现远程耦合的实验研究,以此为基础着力于解决半导体量子点多比特之间的耦合问题,具有很大的理论和实验挑战性。我们目前的这些前期工作已属于世界研究前列,结合已开展的半导体量子点处理单元和测量单元研究,集中推进基于固态量子比特的多量子比特扩展研究。
基于新型二维材料(Graphene,TMDS)体系的量子器件制备和量子物理研究
“量子芯片”是未来量子计算机的“大脑”。 2016年2月,国际权威杂志《物理评论快报》发表了中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室郭国平研究组在量子芯片开发领域的一项重要进展。该成果由郭国平研究组及合作者完成,首次在砷化镓半导体量子芯片中成功实现了量子相干特性好、操控速度快、可控性强的电控新型编码量子比特。研究组利用半导体量子点的多电子态轨道的非对称特性,首次在砷化镓半导体系统中实现了轨道杂化的新型量子比特,巧妙地将电荷量子比特超快特性与自旋量子比特的长相干特性融为一体,实现了“鱼”和“熊掌”的兼得。实验结果表明,该新型量子比特在超快操控速度方面与电荷量子比特类似,而其量子相干性方面,却比一般电荷编码量子比特提高近十倍。同时,该新型多电子轨道杂化实现量子比特编码和调控的方式具有很强的通用性,对探索半导体中极性声子和压电效应对量子相干特性的影响提供了新思路。 [4] 
2018年2月,中国科学技术大学郭光灿院士团队在半导体量子芯片研制方面再获新进展,创新性地制备了半导体六量子点芯片,在国际上首次实现了半导体体系中的三量子比特逻辑门操控,为未来研制集成化半导体量子芯片迈出坚实一步。国际应用物理学权威期刊《物理评论应用》日前发表了该成果。 [5] 

人工智能

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据国外媒体报道,当前计算机数据是由1和0表示的,然而,量子计算机能够使用亚原子粒子编码数据。专家认为,量子比特同时具有两种状态,能够显著提高计算速度和能力。目前,谷歌公司与科学家联手研制量子级计算机处理器,有望未来使机器人像人类一样“独立思考问题”。
美国加州大学圣塔芭芭拉分校物理学家约翰-马蒂尼斯(John Martinis)是超导量子计算领域的资深研究员之一,他与谷歌公司建立合作关系,在量子人工智能实验室进行研究工作。
谷歌公司工程部主管哈尔穆特-内文(Hartmut Neven)说:“该量子人工智能实验室目前能够实施和测试量子最优化和推理处理器的最新设计。” [6] 
谷歌公司致力于自动驾驶汽车和机器人研究,开始日益聚焦人工智能技术。谷歌公司收购DeepMind Technologies人工智能公司,DeepMind Technologies创始人之一、神经系统科学家杰米斯-哈萨比斯(Demis Hassabis)两年前曾尝试研制像人类一样思考的计算机。
然而,DeepMind Technologies另一位创始人谢恩-雷格(Shane Leg)警告称,人工智能是本世纪最危险的技术之一,认为它将导致人类灭绝。 [6] 

可防盗刷

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“量子卫星之父”潘建伟:15年后用量子芯片防盗刷
46岁的“学霸”科学家潘建伟近期再度受关注,是因为我国发射的世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”。预计在11月中旬,这颗卫星将完成全部在轨测试工作,开始国际前沿量子科学实验。潘建伟正是这颗量子卫星的首席科学家。 [7] 
在11月5日举行的“2016年中国科技传播论坛”上,潘建伟表示,将用15年左右时间,构建天地一体的有量子通信安全保障的未来互联网,即量子互联网。他说,“量子称霸”为时不远。
“有国外同行把量子卫星比喻为前苏联的‘伴侣号’卫星,那是人类第一颗人造卫星,所以‘墨子号’的开创性不言而喻。”潘建伟自豪地说。
量子通信与普通老百姓的生活有关吗?他介绍说,中国力争到2030年左右率先建成全球化的广域量子保密通信网络,并在此基础上,构建信息充分安全的“量子互联网”。开始可能国防安全用得比较多,如果这个秘钥好用的话,马上紧接而来的可能是金融领域,因为他们有一些保密性特别强的数据,需要这个技术。当然再过几年成本低下来之后,每个老百姓的手机、银行账号里也可以用这种方法来进行保密。
他甚至给出了一个量子通信技术普及的时间表:5年左右很多机要部门开始用,10年左右金融业、银行等大机构开始使用,15年的时间或许走进千家万户。届时,每个人的家里只要装上一个量子加密芯片,那么,银行转款、电子账户等涉密操作,都不用担心被盗用或者攻击。 [7] 
也许就在不远的将来,量子通信技术将如同手机、电脑一般,走入寻常百姓家。


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