具有20个超导量子比特的量子芯片示意图受访单位供图
“薛定谔的猫”实验示意图 。 猫到底是死是活必须在盒子打开后 ， 外部观测者观测时 ， 物质以粒子形式表现后才能确定 ， 因此猫也处于被杀死和还活着两种状态的叠加态 。
近日 ， 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 ， 刷新了此前固态量子器件中生成12个纠缠态的量子比特的世界纪录 。
“摇篮”中的量子计算机
关于量子计算机的梦想 ， 起源于上世纪80年代 。 著名物理学家费曼曾提出设想：既然自然的本质是量子的 ， 人类能否造出一台遵循量子规律的计算机 ， 从而更好地认识量子世界？
随着当代科学对量子世界的深入“窥探” ， 人们越发相信 ， 量子计算机的技术一旦成熟 ， 其运算能力将远超经典计算机 。 计算机使用“0”和“1”进行信息存储与处理 ， 作为表示信息的最小单位 ， 比特在经典计算机中如同一个普通开关 ， 或0或1 。 量子计算机则完全不同 ， 由于量子纠缠与叠加 ， 一个“量子开关”可以同时代表0和1 ， 并被称为量子比特 。
“想象一下 ， 一枚摆在桌上静止的硬币 ， 你只能看到它的正面或背面；当你把它快速旋转起来 ， 你看到的既是正面 ， 又是背面 。 ”浙江大学物理系博士生宋超解释道 ， 而一台量子计算机就像许多硬币同时翩翩起舞 。
据了解 ， 量子比特数是衡量量子计算机性能的重要指标之一 。 多比特量子纠缠态的实验制备则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 。
“通过量子纠缠与叠加 ， n个量子比特相互关联 ， 可以生成2n种状态 。 ”研发人员表示 ， 这意味着一个含有n个比特的经典存储器可以存储2n个可能数据当中的任意一个 ， 如果是量子存储器 ， 则可以同时存储2n个数 。 相当于2n个经典计算机的CPU同时工作 。 即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一万倍 。 然而 ， 目前实验室中的量子比特原型机仍像摇篮中的婴儿 ， 到其长大成人发挥作用还需一段漫长的培养过程 。
近年来 ， 通过科学家们的努力 ， 不论是单个量子比特的相干性、量子门的保真度 ， 还是量子芯片的集成度、全局纠缠态的制备规模 ， 都有了稳步提升 。
操控由20个人造原子构成的“猫”
拔地而起的钢架、错综复杂的管线、密集叠放的电路板、嗡嗡作响的制冷机……在浙江大学超导量子计算和量子模拟团队的实验室内 ， 一片“貌不惊人”的芯片 ， 既是保障实验室运作的大脑 ， 也是研发团队实现20个超导量子比特量子纠缠的关键 。
“仅1平方厘米的面积上 ， 20个量子比特被均匀分布于中心谐振腔的周边 ， 犹如由中心枢纽贯通的各个支路 。 ”由中科院物理所博士生李贺康制备的超导量子比特芯片 ， 采用独特的电路设计方案 ， 使所有比特之间都能够进行相互连接 ， 实现全局纠缠 。
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