中國科大朱曉波：60量子比特處理器仍在研發(fā)迭代 實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性尚需時(shí)日

12月18日消息（余予）當(dāng)前，以量子信息科學(xué)為代表的量子科技正在不斷形成新的科學(xué)前沿，激發(fā)革命性的科技創(chuàng)新，孕育對人類社會(huì)產(chǎn)生巨大影響的顛覆性技術(shù)。量子計(jì)算與量子信息近年的發(fā)展受到國際上普遍的關(guān)注。

日前，在由中國科學(xué)院物理研究所和量子計(jì)算研究中心主辦、中國科學(xué)院物理研究所學(xué)術(shù)服務(wù)部協(xié)辦的“量子計(jì)算及量子信息研討會(huì)”上，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)朱曉波教授作了題為《超導(dǎo)量子計(jì)算》的報(bào)告，分享了有關(guān)超導(dǎo)量子計(jì)算方面的進(jìn)展。

朱曉波表示，超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)階段--從性能的角度來說，每個(gè)比特已經(jīng)可以滿足可擴(kuò)展，即容錯(cuò)量的計(jì)算，超過量子糾錯(cuò)九十九點(diǎn)幾的門檻。

現(xiàn)在大多數(shù)研究團(tuán)隊(duì)所關(guān)注的是能不能進(jìn)一步的擴(kuò)展，從而能做大規(guī)模的或者說至少在近期能夠有一個(gè)更高精度和更多比特?cái)?shù)目并行的系統(tǒng)。

但是這條路走起來實(shí)際上是比較艱辛的，據(jù)了解，在超導(dǎo)報(bào)道中，第一個(gè)突破糾錯(cuò)門檻的兩比特門的是UCSB（UC Santa Barbara，加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校）的團(tuán)隊(duì)，當(dāng)時(shí)他們還沒有加入谷歌，就已經(jīng)突破了量子糾錯(cuò)的門檻，達(dá)到99.4。

那之后谷歌把UCSB的團(tuán)隊(duì)納入其中，經(jīng)過多年研發(fā)努力，于2019年推出53個(gè)超導(dǎo)量子比特計(jì)算原型機(jī)，比特門的進(jìn)度平均達(dá)到99.3、99.4，從而展示了其“量子優(yōu)越性”。

那么超導(dǎo)量子計(jì)算為什么做起來那么難呢？

其根本原因在于量子計(jì)算需要的是一個(gè)高精度的模擬的操控。它并不像數(shù)字芯片一樣是數(shù)字化的，所以當(dāng)你把大量的比特放到一起，然后以高精度要求去操控一個(gè)一個(gè)的單量子態(tài)，這就形成了眾多的挑戰(zhàn)。

當(dāng)你在真正的去考慮這個(gè)問題時(shí)，你需要更多的比特以及更高的精度；同時(shí)，在你做這一實(shí)驗(yàn)時(shí)，你需要更多的細(xì)節(jié)以及很好的矯正。

朱曉波教授稱，這就像是說：我控制比特A的時(shí)候，其中一個(gè)信號(hào)泄露到了比特B上，我們把這稱為量子信道間的串?dāng)_（crosstalk，不同傳輸線之間的能量耦合）。

同樣地，當(dāng)比特?cái)?shù)目越來越多，它們實(shí)際上是耦合起來的，形成了一個(gè)更大的希爾伯特空間。比特有一定的可能性泄露到非計(jì)算的態(tài)勢空間里面去。

當(dāng)然這是時(shí)效的，所以你還要很好的state leakage，即態(tài)的泄露。

除此之外，有一些別的一些不理想的因素，我們稱之為二輪機(jī)系統(tǒng)或者叫缺陷，會(huì)引起某些比特的性能的大幅損失，或者是完全不能工作。

比特和比特之間的聯(lián)動(dòng)性能做到什么程度？

關(guān)于比特與比特之間的聯(lián)動(dòng)性，朱曉波教授稱其能讓量子達(dá)到一個(gè)很好的性能，聯(lián)動(dòng)性越好，原則上所需要的深度（采用的算法）就越少。比特之間聯(lián)動(dòng)性這一研究，看起來有光明的前景，但是里面，尤其是在科學(xué)和技術(shù)方面還是一大難題。

朱曉波教授舉了一個(gè)超導(dǎo)多比特系統(tǒng)的例子（如下圖）。據(jù)介紹，該系統(tǒng)的核心為processor,即量子處理器，它在一個(gè)極低噪音和極低溫的平臺(tái)里面工作。對于對每一個(gè)比特施加的控制方法，我們稱之為電子學(xué)室溫，這真正做起來也是有一定難度的，其需要極高的精度才可以完成。

控制多比特需要開發(fā)一個(gè)專門的軟件系統(tǒng)。針對這一探討，中國科大在這方面做的第一步是處理器，它可以說是核心所在。中國科大建立了專門的加工車間，主要針對兩個(gè)問題：隨著比特規(guī)模的擴(kuò)大，每一個(gè)器件的參數(shù)總是不那么容易穩(wěn)定；同時(shí)隨著處理器越來越復(fù)雜，其迭代周期越來越長。

據(jù)介紹，一路走來，中國科大現(xiàn)已發(fā)表的結(jié)果中最好的一個(gè)是已經(jīng)做了一個(gè)24量子比特的處理器， T1大概已經(jīng)達(dá)到40微秒。

其次，中國科大自研并搭建了專門平臺(tái)，同時(shí)也研制了一套電子學(xué)的控制系統(tǒng)。

基于量子比特的特殊性--相互之間存在非常強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性和耦合性，中國科大研究團(tuán)隊(duì)專門書寫了一套軟件系統(tǒng)，實(shí)際有幾個(gè)版本。“隨著系統(tǒng)的不斷穩(wěn)定，將會(huì)在未來推出，也是為了填補(bǔ)我們的空白。” 朱曉波教授說到。

量子多比特系統(tǒng)的進(jìn)展

朱曉波教授首先提到12比特處理器，在當(dāng)時(shí)，其性能基本上T1可以到30~50微秒，一維鏈狀結(jié)構(gòu)，將來希望往平面推廣，專門走表面編碼路線。

在比特上做了幾件重要的事情：

·近鄰比特結(jié)構(gòu)，這個(gè)門可以做到什么水平呢？

關(guān)于近鄰比特的結(jié)構(gòu)，單比特門是比較容易的，在T1的其他方面很好的前提下，性能很輕松就可以達(dá)到99.9以上；比較難的兩比特門，即在2014年UCSB做到99.4，突破了表面糾錯(cuò)的一個(gè)門檻。

·絕熱or非絕熱

在對門的研究中，使用非絕熱還是絕熱方法的問題出現(xiàn)了。絕熱的好處在于它是沿著自有計(jì)算空間的輪機(jī)運(yùn)行，不容易泄露到更高的輪機(jī)上；那么它的壞處在于它實(shí)際上會(huì)比較慢，不可能將速度做到極致。

在這一問題上，UCSB支持用絕熱方法而不是非絕熱，而像谷歌，它在量子優(yōu)越性上所做的門則是采用非絕熱方法，同樣，中國科大使用非絕熱方法得出的結(jié)果也是理想的。

理論仿真：綠線，沒有線路帶寬限制；紅線，有一個(gè)帶寬的限制（實(shí)際的脈沖是有一定帶寬的）

分析顯示，這是一個(gè)非常明確的非絕熱的過程，基本上我們得出的結(jié)論夠到了接近理論界1.25倍的一個(gè)理論極限。

基于這一結(jié)論，對三比特門也進(jìn)行了理論研究，原理同上--將波形展開，然后進(jìn)行計(jì)算。但遺憾的是當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)沒有注意到有更好的三比特或多比特門的方法，最終沒有優(yōu)化完全，僅做到99.3。

這其中又提及量子糾纏，糾纏是既需要數(shù)目又需要精度的操作。做糾纏形態(tài)在當(dāng)時(shí)也是非常有重要意義的。當(dāng)時(shí)在國際上能做到水平的多比特的糾纏，而且這么高的精度是非常難的，所以也引起了很多的關(guān)注。

我們既然能做多比特門，然后又想走量子計(jì)算這一路線，那么是不是可以用門來實(shí)現(xiàn)一些糾纏……“但是理想是叫做，現(xiàn)實(shí)是殘酷的，理想是完美的。”朱曉波教授表示。

做比特門發(fā)現(xiàn)的問題：

·如果單純用剛剛開始的辦法去優(yōu)化兩比特門，最后放到一起時(shí)，其保真度會(huì)非常差。

·當(dāng)時(shí)的處理器有串?dāng)_。

……

目前，中國科大在研究60量子比特的量子處理器，從六七月份、七八月份開始已經(jīng)迭代4次，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，原本希望今年的未來幾個(gè)月或者是至少明年上半年能把其量子優(yōu)越性展示出來，但是現(xiàn)在看來還有不少問題，朱曉波教授表示，中國科大還將繼續(xù)努力，希望能盡早成功并展示。

附：朱曉波教授簡介

朱曉波，2003年博士畢業(yè)于在中國科學(xué)院物理研究，2003年-2008年留所工作，2008年-2013年加入日本NTT基礎(chǔ)物性研究所超導(dǎo)量子計(jì)算和線路小組。2013年進(jìn)入中科院物理所工作。2016年加入中國科技大學(xué)，任教授。他的研究小組致力于發(fā)展可擴(kuò)展的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)和混合量子系統(tǒng)。他首次實(shí)現(xiàn)了氮-空位中心與超導(dǎo)量子比特的相干耦合，與浙江大學(xué)王浩華組合作設(shè)計(jì)、制備和測控了10量子比特的、相干性能良好的量子處理器，并發(fā)展了帶寬~300MHz的量子極限放大器。

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