作者:赵广立 来源:中国科学报 发布时间:2022/3/26 11:36:14
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第二次量子革命:拐点将近

 

一个世纪以来,科研人员们对量子世界的奇异现象进行的种种研究,直接或间接催生了众多现代社会核心技术:激光、核磁共振成像、GPS、半导体电子乃至当前的计算机技术。

通往终极梦想的道路上,沿途每一枚看似不相干的技术果实,都在加强人类对量子计算的理解,帮助科学家获得操控量子比特和量子系统的能力。2003年,物理学家 Jonathan Dowling 和 Gerard Milburn提出了著名的“第二次量子革命”。

近20年过去,量子优越性已成事实,量子计算似乎迎来技术突破井喷的阶段,成为最热门的科学和工程话题之一。种种迹象好像都在暗示:第二次量子革命拐点将近?

攀登“高精度”

就在昨天(3月24日),来自中国的阿里巴巴达摩院量子实验室,公布了其最新研发的新型超导量子芯片,在该芯片上实现两比特门99.72%的操控精度,达到此类比特的全球最佳水平。

大约2个月前,澳大利亚新南威尔士大学团队,实现了硅量子计算双量子比特99.37%的保真度;

来自荷兰的代尔夫特理工大学团队,通过使用硅/硅锗合金量子点的电子自旋,实现两比特门99.65%保真度;

而日本RIKEN团队同样使用了该量子点双电子系统,实现了两量子比特门99.51%操控精度。

尽管使用的是不同的量子平台,全球量子科学家们似乎都在量子比特操控精度上想进一步,再进一步。

这是因为,操控精度是衡量量子芯片性能的一个核心指标。倘若量子操控精度不高,计算时错误会累积,便无法实现超越经典计算的能力。

人类历史上探索量子计算所能达到的顶级表现,已证明了“量子优越性”:2019年,谷歌发布超导量子芯片“悬铃木”,公布有效比特数53个,震惊世人;随后两年,来自中国的潘建伟团队,先后发布76个光量子的“九章”,及56个超导量子的“祖冲之二号”,成功在两类平台上实现“量子优越性”。

无论比特推进到多少,高精度对量子比特的操控始终是实现有价值的量子计算的基石。因此,来自中国、澳大利亚、荷兰和日本的最新突破才会显得尤为引人注目。

达摩院量子实验室负责人施尧耘告诉《中国科学报》,“更高精度”和“更多比特数”这两个问题既有各自独特的挑战,同时也并非完全独立。“后者要实现大规模的量子计算,也必须通过高精度的多比特芯片,而当系统规模变大,即使要保持同一精度,也会变得更加困难。”

寻找“新比特”

在寻找质量更高、更易实现操控的量子比特路上,科学家们往往为了千分之一的性能提高而孜孜不倦。

达摩院量子实验室的最新突破,就是基于新型量子比特fluxonium。此前该比特的两比特门操控精度为99.2%,由美国马里兰大学研究团队录得。达摩院将这一指标提升至99.72%,接近传统比特transmon达到的99.85%-99.86%。

作为一种新型超导量子,fluxonium属于后生力量。过去业界更熟悉的是相对成熟的transmon,也就是谷歌、IBM等国际领军团队采用的超导量子比特。

相对于电荷型的transmon,磁通型的 fluxonium 更能抵御电荷噪声和电介质损耗所带来的干扰,并且fluxonium 也更接近于理想的 2 能级系统。因此,如果采用新型fluxonium 比特,量子计算有望获得更高的操控精度,这对推进容错量子计算乃至量子计算的实用化至关重要。

于是,为了那理论上更优的“高精度”可能,来自达摩院量子实验室、马里兰大学、普林斯顿大学、芝加哥大学、UC Berkeley、MIT/Lincoln Lab等超导量子计算研究组,均在全球最大的物理学术会议之一的APS March Meeting 2022年会上,分享了共数十个以fluxonium为主题的报告。

达摩院在fluxonium平台上对此前最高精度绝对值上0.52%的提升,相当于是对噪音65%的降低,已初步证明了fluxonium的理论潜力,施尧耘总结称:“fluxonium不再是学术界演示原理的粗糙玩具,而已然成为可与主流平台争锋的工业级利器。”

“回旋式”探索

达摩院在量子计算的探索,也为全球科学家提供了宝贵的可借鉴的经验。

德国Karlsruhe Institute of Technology研究团队在其刚出炉的一篇最新论文中,第一句总结超导量子计算在工业界的成功,便引用了分别来自IBM、Rigetti、Alibaba 和 Google的工作。

在APS March Meeting 2022年会上,来自美国麻省理工学院的研究团队,也对比分析了马里兰大学团队和达摩院量子实验室团队对达摩院公布的两比特门操控上的数据和特色。

看起来,fluxonium正成为学术界刮向产业界的一阵新旋风。这种新型的fluxonium量子比特,是否会取代transmon而成为业界主流?

没人说得准。在第二次量子革命时代,最不缺的,似乎就是不确定性。

施尧耘告诉记者,量子计算的实现目前还处于基础研究为主,回旋式工程化的阶段,还没有能力实现超越经典的实际应用。“之所以说回旋式,是因为工程化的具体技术目标和路径还在探索之中,预期会有多次转折。”他说。

在“高精度”打下了一定的技术基础之后,“多比特”的目标也被摆在了达摩院量子计算团队的桌面上。

“我们的确在启动多比特的工作。”施尧耘说:“过去三年,实验室一直以高精度为核心目标,但我们下一个阶段的目标是‘可扩展的高精度’。”

据他解释,达摩院量子实验室将尝试的比特数,不是为了最大化这个数字,或者进行“比特数竞赛”,而是为了发现并克服规模化过程中影响精度的主要因素。

“所以未来我们的工作也不会有很多比特数。”施尧耘说,其他同仁在多比特上的成果验证了已知技术在多比特集成上的可达的能力,但还没有解决的是,如何在这么大的系统上实现高精度。“我们希望通过最小的代价,也就是最小规模的芯片,去理解并解决此目标会碰到的核心问题。”

 
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