蒿杰團(tuán)隊實感計算架構(gòu)助力20超導(dǎo)量子比特薛定諤貓態(tài)制備
● ● ●
超導(dǎo)量子計算平臺可集成多個量子比特，相干時間長、操控和讀出精度高，是實用化、可擴(kuò)展量子計算主要技術(shù)路線之一。衡量量子計算平臺性能的一個標(biāo)志性成果是多量子比特糾纏態(tài)的制備，特別是Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）態(tài)的實驗制備，國際競爭尤為激烈。近日，由浙江大學(xué)、中科院物理研究所、中科院自動化所、北京計算科學(xué)研究中心等國內(nèi)單位組成的團(tuán)隊，在超導(dǎo)量子計算實驗取得重要進(jìn)展。
中科院自動化所蒿杰研究員、馮卉助理研究員與浙江大學(xué)博士生宋超、王浩華教授、王大偉教授、朱詩堯院士，以及中科院物理所范桁研究員、鄭東寧研究員、許凱副研究員、博士生李賀康（現(xiàn)浙江大學(xué)博士后）、張煜然博士（現(xiàn)北京計算科學(xué)研究中心博士后）等通力合作，經(jīng)過近兩年時間的器件設(shè)計與制備、實驗測控運(yùn)行及數(shù)據(jù)處理，成功將全局量子糾纏的量子比特數(shù)目推進(jìn)到20個，特別是實現(xiàn)了18個量子比特GHZ態(tài)制備，其保真度超過GHZ多體真糾纏的判據(jù)閾值，并首次展示了20量子比特5組分薛定諤貓態(tài)。 這一成果將固態(tài)系統(tǒng)GHZ態(tài)糾纏量子比特數(shù)世界紀(jì)錄從10個推進(jìn)到18個，成果已于8月9日在國際學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)》發(fā)表（Science 365, 574-577 (2019)）。
實感計算架構(gòu)通過低延時感算控一體化設(shè)計，具有實時感知、計算、操控能力強(qiáng)以及易擴(kuò)展性、低功耗的特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于射電大科學(xué)裝置、邊緣計算、全腦區(qū)活體光學(xué)實時成像與操控等高通量、低延時、快迭代計算場景。
使用該架構(gòu)在超導(dǎo)量子計算系統(tǒng)中主要實現(xiàn)了對量子比特的高精度控制、量子態(tài)的讀取及解析等關(guān)鍵任務(wù)。對量子比特的控制需要可調(diào)控每一個量子比特的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)以及頻率調(diào)制。通過高精度實時控制輸出信號的波形包絡(luò)、偏置波形的頻率以及信號通斷等，實現(xiàn)了對多個量子比特的精確調(diào)控。通過高速采集可對多個量子比特狀態(tài)進(jìn)行同時讀取，經(jīng)過實時分析得到各量子比特的狀態(tài)信息。實感計算架構(gòu)的高通量信號注入能力使得測控系統(tǒng)對量子比特的調(diào)控更加精確，提高了量子門的操控精度，降低量子門出錯率，有助于實現(xiàn)容錯計算。由于整體的低功耗設(shè)計保證了較低的熱噪聲水平，減小了量子比特能量抖動，有利于延長量子比特的相干時間，防止其快速衰退為經(jīng)典態(tài)，從而影響超導(dǎo)量子比特的計算能力。同時，該架構(gòu)有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，后續(xù)可以實現(xiàn)更多量子比特的控制。
由于量子計算機(jī)的強(qiáng)大能力，使它有可能快速完成某些經(jīng)典計算機(jī)無法完成的計算，使其在新藥研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)安全、金融服務(wù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。Dario Gil(Director of IBM Research)在文章中甚至提到“隨著人工智能問題復(fù)雜性的增加，量子計算——數(shù)千家企業(yè)已經(jīng)通過IBM的云量子計算服務(wù)訪問——可能會改變我們處理AI計算任務(wù)的方式?！?nbsp;
此工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(No. 2017YFA0304300，No. 2016YFA0300600), 自然科學(xué)基金(No. 11725419，No. 11434008)及中科院先導(dǎo)專項(No. XDB28000000)等的支持。
論文鏈接：Science
注：本文轉(zhuǎn)載自中國科學(xué)院自動化研究所。
