中國科大朱曉波：60量子比特處理器仍在研發(fā)迭代 實現(xiàn)量子優(yōu)越性尚需時日

12月18日消息（余予）當前，以量子信息科學為代表的量子科技正在不斷形成新的科學前沿，激發(fā)革命性的科技創(chuàng)新，孕育對人類社會產(chǎn)生巨大影響的顛覆性技術(shù)。量子計算與量子信息近年的發(fā)展受到國際上普遍的關(guān)注。

日前，在由中國科學院物理研究所和量子計算研究中心主辦、中國科學院物理研究所學術(shù)服務部協(xié)辦的“量子計算及量子信息研討會”上，中國科學技術(shù)大學朱曉波教授作了題為《超導量子計算》的報告，分享了有關(guān)超導量子計算方面的進展。

朱曉波表示，超導量子計算領(lǐng)域已經(jīng)進入了一個階段--從性能的角度來說，每個比特已經(jīng)可以滿足可擴展，即容錯量的計算，超過量子糾錯九十九點幾的門檻。

現(xiàn)在大多數(shù)研究團隊所關(guān)注的是能不能進一步的擴展，從而能做大規(guī)模的或者說至少在近期能夠有一個更高精度和更多比特數(shù)目并行的系統(tǒng)。

但是這條路走起來實際上是比較艱辛的，據(jù)了解，在超導報道中，第一個突破糾錯門檻的兩比特門的是UCSB（UC Santa Barbara，加州大學圣塔芭芭拉分校）的團隊，當時他們還沒有加入谷歌，就已經(jīng)突破了量子糾錯的門檻，達到99.4。

那之后谷歌把UCSB的團隊納入其中，經(jīng)過多年研發(fā)努力，于2019年推出53個超導量子比特計算原型機，比特門的進度平均達到99.3、99.4，從而展示了其“量子優(yōu)越性”。

那么超導量子計算為什么做起來那么難呢？

其根本原因在于量子計算需要的是一個高精度的模擬的操控。它并不像數(shù)字芯片一樣是數(shù)字化的，所以當你把大量的比特放到一起，然后以高精度要求去操控一個一個的單量子態(tài)，這就形成了眾多的挑戰(zhàn)。

當你在真正的去考慮這個問題時，你需要更多的比特以及更高的精度；同時，在你做這一實驗時，你需要更多的細節(jié)以及很好的矯正。

朱曉波教授稱，這就像是說：我控制比特A的時候，其中一個信號泄露到了比特B上，我們把這稱為量子信道間的串擾（crosstalk，不同傳輸線之間的能量耦合）。

同樣地，當比特數(shù)目越來越多，它們實際上是耦合起來的，形成了一個更大的希爾伯特空間。比特有一定的可能性泄露到非計算的態(tài)勢空間里面去。

當然這是時效的，所以你還要很好的state leakage，即態(tài)的泄露。

除此之外，有一些別的一些不理想的因素，我們稱之為二輪機系統(tǒng)或者叫缺陷，會引起某些比特的性能的大幅損失，或者是完全不能工作。

比特和比特之間的聯(lián)動性能做到什么程度？

關(guān)于比特與比特之間的聯(lián)動性，朱曉波教授稱其能讓量子達到一個很好的性能，聯(lián)動性越好，原則上所需要的深度（采用的算法）就越少。比特之間聯(lián)動性這一研究，看起來有光明的前景，但是里面，尤其是在科學和技術(shù)方面還是一大難題。

朱曉波教授舉了一個超導多比特系統(tǒng)的例子（如下圖）。據(jù)介紹，該系統(tǒng)的核心為processor,即量子處理器，它在一個極低噪音和極低溫的平臺里面工作。對于對每一個比特施加的控制方法，我們稱之為電子學室溫，這真正做起來也是有一定難度的，其需要極高的精度才可以完成。

控制多比特需要開發(fā)一個專門的軟件系統(tǒng)。針對這一探討，中國科大在這方面做的第一步是處理器，它可以說是核心所在。中國科大建立了專門的加工車間，主要針對兩個問題：隨著比特規(guī)模的擴大，每一個器件的參數(shù)總是不那么容易穩(wěn)定；同時隨著處理器越來越復雜，其迭代周期越來越長。

據(jù)介紹，一路走來，中國科大現(xiàn)已發(fā)表的結(jié)果中最好的一個是已經(jīng)做了一個24量子比特的處理器， T1大概已經(jīng)達到40微秒。

其次，中國科大自研并搭建了專門平臺，同時也研制了一套電子學的控制系統(tǒng)。

基于量子比特的特殊性--相互之間存在非常強的關(guān)聯(lián)性和耦合性，中國科大研究團隊專門書寫了一套軟件系統(tǒng)，實際有幾個版本。“隨著系統(tǒng)的不斷穩(wěn)定，將會在未來推出，也是為了填補我們的空白。” 朱曉波教授說到。

量子多比特系統(tǒng)的進展

朱曉波教授首先提到12比特處理器，在當時，其性能基本上T1可以到30~50微秒，一維鏈狀結(jié)構(gòu)，將來希望往平面推廣，專門走表面編碼路線。

在比特上做了幾件重要的事情：

·近鄰比特結(jié)構(gòu)，這個門可以做到什么水平呢？

關(guān)于近鄰比特的結(jié)構(gòu)，單比特門是比較容易的，在T1的其他方面很好的前提下，性能很輕松就可以達到99.9以上；比較難的兩比特門，即在2014年UCSB做到99.4，突破了表面糾錯的一個門檻。

·絕熱or非絕熱

在對門的研究中，使用非絕熱還是絕熱方法的問題出現(xiàn)了。絕熱的好處在于它是沿著自有計算空間的輪機運行，不容易泄露到更高的輪機上；那么它的壞處在于它實際上會比較慢，不可能將速度做到極致。

在這一問題上，UCSB支持用絕熱方法而不是非絕熱，而像谷歌，它在量子優(yōu)越性上所做的門則是采用非絕熱方法，同樣，中國科大使用非絕熱方法得出的結(jié)果也是理想的。

理論仿真：綠線，沒有線路帶寬限制；紅線，有一個帶寬的限制（實際的脈沖是有一定帶寬的）

分析顯示，這是一個非常明確的非絕熱的過程，基本上我們得出的結(jié)論夠到了接近理論界1.25倍的一個理論極限。

基于這一結(jié)論，對三比特門也進行了理論研究，原理同上--將波形展開，然后進行計算。但遺憾的是當時的實驗沒有注意到有更好的三比特或多比特門的方法，最終沒有優(yōu)化完全，僅做到99.3。

這其中又提及量子糾纏，糾纏是既需要數(shù)目又需要精度的操作。做糾纏形態(tài)在當時也是非常有重要意義的。當時在國際上能做到水平的多比特的糾纏，而且這么高的精度是非常難的，所以也引起了很多的關(guān)注。

我們既然能做多比特門，然后又想走量子計算這一路線，那么是不是可以用門來實現(xiàn)一些糾纏……“但是理想是叫做，現(xiàn)實是殘酷的，理想是完美的。”朱曉波教授表示。

做比特門發(fā)現(xiàn)的問題：

·如果單純用剛剛開始的辦法去優(yōu)化兩比特門，最后放到一起時，其保真度會非常差。

·當時的處理器有串擾。

……

目前，中國科大在研究60量子比特的量子處理器，從六七月份、七八月份開始已經(jīng)迭代4次，由于系統(tǒng)的復雜性，原本希望今年的未來幾個月或者是至少明年上半年能把其量子優(yōu)越性展示出來，但是現(xiàn)在看來還有不少問題，朱曉波教授表示，中國科大還將繼續(xù)努力，希望能盡早成功并展示。

附：朱曉波教授簡介

朱曉波，2003年博士畢業(yè)于在中國科學院物理研究，2003年-2008年留所工作，2008年-2013年加入日本NTT基礎(chǔ)物性研究所超導量子計算和線路小組。2013年進入中科院物理所工作。2016年加入中國科技大學，任教授。他的研究小組致力于發(fā)展可擴展的超導量子計算機和混合量子系統(tǒng)。他首次實現(xiàn)了氮-空位中心與超導量子比特的相干耦合，與浙江大學王浩華組合作設(shè)計、制備和測控了10量子比特的、相干性能良好的量子處理器，并發(fā)展了帶寬~300MHz的量子極限放大器。

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