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中国科大朱晓波:60量子比特处理器仍在研发迭代 实现量子优越性尚需时日

  当前,以量子信息科学为代表的量子科技正在不断形成新的科学前沿,激发革命性的科技创新,孕育对人类社会产生巨大影响的颠覆性技术。量子计算与量子信息近年的发展受到国际上普遍的关注。

  日前,在由中国科学院物理研究所和量子计算研究中心主办、中国科学院物理研究所学术服务部协办的“量子计算及量子信息研讨会”上,中国科学技术大学朱晓波教授作了题为《超导量子计算》的报告,分享了有关超导量子计算方面的进展。

  朱晓波表示,超导量子计算领域已经进入了一个阶段–从性能的角度来说,每个比特已经可以满足可扩展,即容错量的计算,超过量子纠错九十九点几的门槛。

  现在大多数研究团队所关注的是能不能进一步的扩展,从而能做大规模的或者说至少在近期能够有一个更高精度和更多比特数目并行的系统。

  但是这条路走起来实际上是比较艰辛的,据了解,在超导报道中,第一个突破纠错门槛的两比特门的是 UCSB(UC Santa Barbara,加州大学圣塔芭芭拉分校)的团队,当时他们还没有加入谷歌,就已经突破了量子纠错的门槛,达到 99.4。

  那之后谷歌把 UCSB 的团队纳入其中,经过多年研发努力,于 2019 年推出 53 个超导量子比特计算原型机,比特门的进度平均达到 99.3、99.4,从而展示了其“量子优越性”。

  那么超导量子计算为什么做起来那么难呢?

  其根本原因在于量子计算需要的是一个高精度的模拟的操控。它并不像数字芯片一样是数字化的,所以当你把大量的比特放到一起,然后以高精度要求去操控一个一个的单量子态,这就形成了众多的挑战。

  当你在真正的去考虑这个问题时,你需要更多的比特以及更高的精度;同时,在你做这一实验时,你需要更多的细节以及很好的矫正。

  朱晓波教授称,这就像是说:我控制比特A的时候,其中一个信号泄露到了比特B上,我们把这称为量子信道间的串扰(crosstalk,不同传输线之间的能量耦合)。

  同样地,当比特数目越来越多,它们实际上是耦合起来的,形成了一个更大的希尔伯特空间。比特有一定的可能性泄露到非计算的态势空间里面去。

  当然这是时效的,所以你还要很好的 state leakage,即态的泄露。

  除此之外,有一些别的一些不理想的因素,我们称之为二轮机系统或者叫缺陷,会引起某些比特的性能的大幅损失,或者是完全不能工作。

  比特和比特之间的联动性能做到什么程度?

  关于比特与比特之间的联动性,朱晓波教授称其能让量子达到一个很好的性能,联动性越好,原则上所需要的深度(采用的算法)就越少。比特之间联动性这一研究,看起来有光明的前景,但是里面,尤其是在科学和技术方面还是一大难题。

  朱晓波教授举了一个超导多比特系统的例子(如下图)。据介绍,该系统的核心为 processor,即量子处理器,它在一个极低噪音和极低温的平台里面工作。对于对每一个比特施加的控制方法,我们称之为电子学室温,这真正做起来也是有一定难度的,其需要极高的精度才可以完成。

  控制多比特需要开发一个专门的软件系统。针对这一探讨,中国科大在这方面做的第一步是处理器,它可以说是核心所在。

  中国科大建立了专门的加工车间,主要针对两个问题:随着比特规模的扩大,每一个器件的参数总是不那么容易稳定;同时随着处理器越来越复杂,其迭代周期越来越长。

  据介绍,一路走来,中国科大现已发表的结果中最好的一个是已经做了一个 24 量子比特的处理器, T1 大概已经达到 40 微秒。

  其次,中国科大自研并搭建了专门平台,同时也研制了一套电子学的控制系统。

  基于量子比特的特殊性–相互之间存在非常强的关联性和耦合性,中国科大研究团队专门书写了一套软件系统,实际有几个版本。“随着系统的不断稳定,将会在未来推出,也是为了填补我们的空白。” 朱晓波教授说到。

  量子多比特系统的进展

  朱晓波教授首先提到 12 比特处理器,在当时,其性能基本上 T1 可以到 30~50 微秒,一维链状结构,将来希望往平面推广,专门走表面编码路线。

  在比特上做了几件重要的事情:

  ·近邻比特结构,这个门可以做到什么水平呢?

  关于近邻比特的结构,单比特门是比较容易的,在 T1 的其他方面很好的前提下,性能很轻松就可以达到 99.9 以上;比较难的两比特门,即在 2014 年 UCSB 做到 99.4,突破了表面纠错的一个门槛。

  ·绝热 or 非绝热

  在对门的研究中,使用非绝热还是绝热方法的问题出现了。绝热的好处在于它是沿着自有计算空间的轮机运行,不容易泄露到更高的轮机上;那么它的坏处在于它实际上会比较慢,不可能将速度做到极致。

  在这一问题上,UCSB 支持用绝热方法而不是非绝热,而像谷歌,它在量子优越性上所做的门则是采用非绝热方法,同样,中国科大使用非绝热方法得出的结果也是理想的。

  理论仿真:绿线,没有线路带宽限制;红线,有一个带宽的限制(实际的脉冲是有一定带宽的)

  分析显示,这是一个非常明确的非绝热的过程,基本上我们得出的结论够到了接近理论界 1.25 倍的一个理论极限。

  基于这一结论,对三比特门也进行了理论研究,原理同上–将波形展开,然后进行计算。但遗憾的是当时的实验没有注意到有更好的三比特或多比特门的方法,最终没有优化完全,仅做到 99.3。

  这其中又提及量子纠缠,纠缠是既需要数目又需要精度的操作。做纠缠形态在当时也是非常有重要意义的。当时在国际上能做到水平的多比特的纠缠,而且这么高的精度是非常难的,所以也引起了很多的关注。

  我们既然能做多比特门,然后又想走量子计算这一路线,那么是不是可以用门来实现一些纠缠……“但是理想是叫做,现实是残酷的,理想是完美的。”朱晓波教授表示。

  做比特门发现的问题:

  ·如果单纯用刚刚开始的办法去优化两比特门,最后放到一起时,其保真度会非常差。

  ·当时的处理器有串扰。

  ……

  目前,中国科大在研究 60 量子比特的量子处理器,从六七月份、七八月份开始已经迭代 4 次,由于系统的复杂性,原本希望今年的未来几个月或者是至少明年上半年能把其量子优越性展示出来,但是现在看来还有不少问题,朱晓波教授表示,中国科大还将继续努力,希望能尽早成功并展示。

  附:朱晓波教授简介

  朱晓波,2003 年博士毕业于在中国科学院物理研究,2003 年-2008 年留所工作,2008 年-2013 年加入日本 NTT 基础物性研究所超导量子计算和线路小组。2013 年进入中科院物理所工作。2016 年加入中国科技大学,任教授。他的研究小组致力于发展可扩展的超导量子计算机和混合量子系统。他首次实现了氮-空位中心与超导量子比特的相干耦合,与浙江大学王浩华组合作设计、制备和测控了 10 量子比特的、相干性能良好的量子处理器,并发展了带宽~300MHz 的量子极限放大器。

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