超导量子计算与量子模拟合作研究取得系列进展

发布日期：2019-12-09

    量子计算是下一代信息技术的关键，也是当前物理学前沿研究的重大科学问题。实现量子计算的方案有多种，其中超导量子计算由于其长相干时间、良好的扩展性以及精确的操控测量等特性，是目前具前途的通用量子计算机实现方案之一。它不仅是科学研究的重点方向，也得到谷歌、IBM、英特尔等国际高科技公司的深度介入和资金及人才的投入。近这些公司已经宣称制备出包括数十个物理比特的超导量子芯片，正在进行测试。

    中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心在超导量子计算技术发展早期就参与其中，今已有超过十年的研究积累,是在国内早实现超导量子比特器件的制备和量子态相干演化实验的单位。近几年物理所郑东宁课题组、吕力课题组等相关课题组与浙江大学王浩华课题组及中科大朱晓波（2016年初由物理所调往中科大）课题组等兄弟单位的研究团队紧密合作，利用物理所微纳加工平台和其它相关条件，先后制备出长退相干时间的5量子比特（图一）、6量子比特（图二），9量子比特和10量子比特（图三）的Xmon型多比特样品。此外，还在国内率先制备出宽带宽高动态范围约瑟夫森参量放大器，将量子比特测量提高到接近单光子水平，为高水平的多量子态快速测量打下基础。超导实验室SC5组邓辉博士和博士生黄克强完成了器件的实际制备工作。

图一  5量子比特超导器件

    在研制出性能良好的多比特超导量子芯片的基础上，物理所的相关研究组参与了多项与浙江大学王浩华课题组和中科大朱晓波课题组的合作研究，分别在超导量子计算与量子模拟研究的几个方面与中科大陆朝阳和潘建伟团队、福州大学郑仕标教授课题组以及美国堪萨斯大学韩思远教授等开展合作研究，取得系列成果：

  1、利用6比特超导器件中的4个量子比特，演示了求解线性方程组的HHL量子算法。HHL算法是A. W. Harrow, A. Hassidim和S. Lloyd在2009年提出的一个求解线性方 程组的算法，可以实现指数加速的求解速度。由于线性方程组在科学研究和工程应用上有大量的应用，这个算法有非常重要的应用前景。该算法经过数年的发展，被证明有望应用于人工智能和大数据分析领域，因此近年来受到很多关注。该量子算法已经在光子和核磁共振系统中演示过，但该项合作研究是在一个具有可扩展性的固态系统中的演示。文章发表在Phys. Rev. Lett. 118, 210504 (2017)， 并被选为编辑推荐。

图二  6量子比特超导器件

  2、利用10比特超导器件实现了10量子比特GHZ全局纠缠，创造了超导量子比特全局纠缠量子比特数世界纪录，纠缠保真度达到约66.8%，合作研究文章发表在Phys. Rev. Lett. 119, 180511 (2017), 并被选为编辑推荐。

  3、量子计算的执行需要进行系列量子逻辑门的操作，受控非门和多重受控非门是一种基本的两量子比特和多量子比特逻辑门，具有产生量子纠缠的能力，其实现需要在实验上进行精确的操控。合作研究基于几何相方案，演示了多重的逻辑受控非门高保真度实现，为通用量子计算的实现打下坚实基础，文章发表在Nature Commun. 8, 1061 (2017)。

    近，中科院物理所范桁等课题组又和浙江大学王浩华课题组以及中科大朱晓波课题组合作开展了多体局域化问题的量子模拟研究。量子模拟是利用可控量子系统对探索的量子系统物理性质进行比照研究的方法，量子多体局域化是一种新提出的量子现象，它不同于众所周知的安德森局域化，因为系统非可积，存在长程相互作用。 利用上述长相干时间的10比特超导样品，物理所、浙江大学及中科大团队成功实现了量子多体局域化的演示（图四）。量子多体局域化一个重要的特征是量子纠缠熵随时间对数增长，实验中量化展示了此现象。该10比特器件的一个特点是可实现多比特之间的任意耦合（图三），包括了多个Xmon比特和一个公共谐振腔耦合的器件，其中的谐振腔起到了连接每个Xmon比特的总线的作用，每个Xmon比特采用能级可调的构型，通过外加偏置实现对每个比特能级的独立调节，在测量过程中可以实现任意两个Xmon比特之间的共振耦合或色散耦合。器件的这种特点使得无序特性和长程相互作用可以在实验中方便调控，保证了多体局域化的条件。

图三  10量子比特超导器件 

图四 量子态层析法得到的密度矩阵。多体局域化会保留系统初态的性质，图中显示无序强度为0MHz时，系统趋近于不含信息的热态，而无序强度为12MHz时，系统仍然保留初态的信息，原图参考Phys. Rev. Lett. 120, 050507 (2018)。

    物理所范桁研究员和指导的博士生陈锦俊等和团队确定了具体实验方案，并完成了理论分析，测量在浙江大学完成，文章发表在Phys. Rev. Lett. 120, 050507 (2018)。