超導量子芯片演繹“莊周夢蝶”
■本報記者 韓揚眉
量子計算的前景令人期待，它在基礎科學研究、新材料和藥物研發(fā)、類腦人工智能技術開發(fā)等領域有潛在應用價值。
中國科學院物理研究所固態(tài)量子信息與計算實驗室研究員范桁、副研究員許凱，與中國科學院物理研究所量子計算研究中心研究員鄭東寧、副主任工程師相忠誠等合作，研發(fā)出超40比特的一維超導量子芯片，以戰(zhàn)國時期思想家和哲學家莊子命名，利用其成功模擬了“侯世達蝴蝶”能譜以及各種新奇拓撲零模式。相關研究成果近日發(fā)表于《物理評論快報》。
“莊子”芯片誕生記
在科學家看來，大規(guī)模的量子計算正朝著實用化的方向發(fā)展，要想實現(xiàn)實用化，需要操縱精確、比特數(shù)多、相干時間長、效率足夠高。在這個過程中，量子芯片的設計、制備、測控都至關重要。
相忠誠長期從事超導量子芯片制備，他告訴《中國科學報》，與傳統(tǒng)芯片相比，量子芯片對外界環(huán)境的擾動非常敏感。
“量子芯片是一種非常脆弱的系統(tǒng)，穩(wěn)定時間非常短，在芯片上運行量子算法就好像是在夏日里堆雪人，需要足夠的速度，趕在雪融化前把雪人堆出來。通常超導量子芯片的相干時間大約在幾十微秒量級，這意味著量子效應維持的時間只在一瞬，要在很短的相干時間尺度內精確執(zhí)行完量子算法是比較困難的?！毕嘀艺\解釋道。
借助中國科學院物理研究所位于北京懷柔的綜合極端條件實驗室的超導量子計算實驗平臺，鄭東寧與相忠誠在器件設計和制備實踐中反復摸索思考，不斷改進和優(yōu)化器件的設計方法和制備工藝，完成了43比特一維超導量子芯片的設計和制備，芯片中整體比特參數(shù)與設計值一致，總體退相干時間、制備良品率、量子狀態(tài)易讀性等都得到了大幅提升。部分比特退相干時間達到百微秒量級。
在最新發(fā)表的研究中，他們設計并構建了多達41個量子比特的對角AAH模型的各種實例，并應用動態(tài)光譜技術實驗測量了著名的“侯世達蝴蝶”能譜。由于對角AAH模型的拓撲特性，出現(xiàn)了“翅膀形狀”的能隙，整個能譜圖看起來就像一只翩翩起舞的蝴蝶，研究人員不禁聯(lián)想到莊周夢蝶的故事，這也是該量子處理器名字的由來。
因為“莊子”處理器擁有足夠多的量子比特，有限尺寸效應的影響被極大地抑制，“蝴蝶”身體細節(jié)中的分形結構和能帶的分裂被清晰展示了出來。
零下200多攝氏度的實驗
量子芯片是第一步，利用多個超導量子比特模擬各種量子效應也是當前人們關注的前沿研究。
量子芯片只有指甲蓋大小。拿到芯片后，許凱和團隊成員立刻開始對芯片進行測控，并開展量子模擬實驗。
許凱告訴《中國科學報》：“量子模擬，就是通過調控量子芯片構建一些重要的多體模型，實現(xiàn)對真實物質或材料體系的各種新奇物理特性進行仿真和計算，以解決能源、材料等領域的一系列重要問題?！?/p>
超導量子計算芯片需要在極低溫環(huán)境中工作，以避免熱量（噪聲）對量子態(tài)的干擾。
研究人員將芯片封裝進盒子中，并放入稀釋制冷機中降溫至10mK，制冷機的溫度比絕對零度（零下273.15℃）僅高了0.01℃，這種極低的溫度可以使芯片轉變?yōu)闊o損的超導態(tài)并有效抑制芯片周圍的環(huán)境噪聲和熱噪聲，從而呈現(xiàn)量子效應，讓科研人員更好地操控量子效應。
操控芯片的過程并不輕松。在實驗室，數(shù)十臺儀器微波脈沖信號與“芯片”相連，研究人員在自己開發(fā)的軟件平臺上編寫程序控制儀器，對芯片發(fā)出“指令”，從而“操控”芯片?！爸噶睢卑l(fā)出的時間達到了納秒級。
“我們要非常精細地優(yōu)化每個量子比特的調控參數(shù)和它們之間的相互作用，這個過程需要準備兩個月。”許凱說，通過使程序實現(xiàn)自動化參數(shù)搜索，進行自動化操控，未來的研究會更加高效。
由于“莊子”量子處理器超過40個量子比特，這足以讓研究人員在這個重要的一維量子多體系統(tǒng)復雜的能帶結構中捕捉到大量拓撲特征。使用由高度可控的Floquet（周期驅動）調控技術輔助的超導量子處理器，研究人員提出了一種通用混合量子模擬方法來探索含噪聲中等規(guī)模量子時代的量子拓撲系統(tǒng)。
前景廣闊 需要人才
許凱和相忠誠及其所在團隊長期致力于超導量子計算、量子模擬、量子器件制備等方面的實驗研究，并取得了許多領先的成果。在他們看來，量子計算前景廣闊，未來還有很長的路要走。
“雖然目前量子芯片只能完成一些特定任務，而且還未達到超越經典計算的量子優(yōu)勢，但是通過量子模擬的實驗可以積累各種操控技術、探索和展示量子計算的各種應用場景，這對未來量子計算機的實現(xiàn)和應用都是非常有價值的。”許凱說。
在許凱看來，我國在量子計算方面與國際上最好的團隊相比還存在一定的差距。量子計算是一個交叉學科，需要各方面的人才，他們期待新鮮血液加入量子團隊。
“我們雖然需要建立全方位的生態(tài)，但還要尊重科學發(fā)展的自然規(guī)律，在加快實驗節(jié)奏的同時不能操之過急?！痹S凱說。