超導(dǎo)量子芯片演繹“莊周夢(mèng)蝶”
■本報(bào)記者 韓揚(yáng)眉
量子計(jì)算的前景令人期待，它在基礎(chǔ)科學(xué)研究、新材料和藥物研發(fā)、類腦人工智能技術(shù)開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用價(jià)值。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所固態(tài)量子信息與計(jì)算實(shí)驗(yàn)室研究員范桁、副研究員許凱，與中國(guó)科學(xué)院物理研究所量子計(jì)算研究中心研究員鄭東寧、副主任工程師相忠誠(chéng)等合作，研發(fā)出超40比特的一維超導(dǎo)量子芯片，以戰(zhàn)國(guó)時(shí)期思想家和哲學(xué)家莊子命名，利用其成功模擬了“侯世達(dá)蝴蝶”能譜以及各種新奇拓?fù)淞隳Ｊ?。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。
“莊子”芯片誕生記
在科學(xué)家看來(lái)，大規(guī)模的量子計(jì)算正朝著實(shí)用化的方向發(fā)展，要想實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，需要操縱精確、比特?cái)?shù)多、相干時(shí)間長(zhǎng)、效率足夠高。在這個(gè)過(guò)程中，量子芯片的設(shè)計(jì)、制備、測(cè)控都至關(guān)重要。
相忠誠(chéng)長(zhǎng)期從事超導(dǎo)量子芯片制備，他告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，與傳統(tǒng)芯片相比，量子芯片對(duì)外界環(huán)境的擾動(dòng)非常敏感。
“量子芯片是一種非常脆弱的系統(tǒng)，穩(wěn)定時(shí)間非常短，在芯片上運(yùn)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(lái)。通常超導(dǎo)量子芯片的相干時(shí)間大約在幾十微秒量級(jí)，這意味著量子效應(yīng)維持的時(shí)間只在一瞬，要在很短的相干時(shí)間尺度內(nèi)精確執(zhí)行完量子算法是比較困難的?！毕嘀艺\(chéng)解釋道。
借助中國(guó)科學(xué)院物理研究所位于北京懷柔的綜合極端條件實(shí)驗(yàn)室的超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，鄭東寧與相忠誠(chéng)在器件設(shè)計(jì)和制備實(shí)踐中反復(fù)摸索思考，不斷改進(jìn)和優(yōu)化器件的設(shè)計(jì)方法和制備工藝，完成了43比特一維超導(dǎo)量子芯片的設(shè)計(jì)和制備，芯片中整體比特參數(shù)與設(shè)計(jì)值一致，總體退相干時(shí)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(shí)間達(dá)到百微秒量級(jí)。
在最新發(fā)表的研究中，他們?cè)O(shè)計(jì)并構(gòu)建了多達(dá)41個(gè)量子比特的對(duì)角AAH模型的各種實(shí)例，并應(yīng)用動(dòng)態(tài)光譜技術(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了著名的“侯世達(dá)蝴蝶”能譜。由于對(duì)角AAH模型的拓?fù)涮匦?，出現(xiàn)了“翅膀形狀”的能隙，整個(gè)能譜圖看起來(lái)就像一只翩翩起舞的蝴蝶，研究人員不禁聯(lián)想到莊周夢(mèng)蝶的故事，這也是該量子處理器名字的由來(lái)。
因?yàn)椤扒f子”處理器擁有足夠多的量子比特，有限尺寸效應(yīng)的影響被極大地抑制，“蝴蝶”身體細(xì)節(jié)中的分形結(jié)構(gòu)和能帶的分裂被清晰展示了出來(lái)。
零下200多攝氏度的實(shí)驗(yàn)
量子芯片是第一步，利用多個(gè)超導(dǎo)量子比特模擬各種量子效應(yīng)也是當(dāng)前人們關(guān)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(tuán)隊(duì)成員立刻開(kāi)始對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)控，并開(kāi)展量子模擬實(shí)驗(yàn)。
許凱告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“量子模擬，就是通過(guò)調(diào)控量子芯片構(gòu)建一些重要的多體模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)物質(zhì)或材料體系的各種新奇物理特性進(jìn)行仿真和計(jì)算，以解決能源、材料等領(lǐng)域的一系列重要問(wèn)題?！?/p>
超導(dǎo)量子計(jì)算芯片需要在極低溫環(huán)境中工作，以避免熱量（噪聲）對(duì)量子態(tài)的干擾。
研究人員將芯片封裝進(jìn)盒子中，并放入稀釋制冷機(jī)中降溫至10mK，制冷機(jī)的溫度比絕對(duì)零度（零下273.15℃）僅高了0.01℃，這種極低的溫度可以使芯片轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)損的超導(dǎo)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(yīng)，讓科研人員更好地操控量子效應(yīng)。
操控芯片的過(guò)程并不輕松。在實(shí)驗(yàn)室，數(shù)十臺(tái)儀器微波脈沖信號(hào)與“芯片”相連，研究人員在自己開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)上編寫程序控制儀器，對(duì)芯片發(fā)出“指令”，從而“操控”芯片。“指令”發(fā)出的時(shí)間達(dá)到了納秒級(jí)。
“我們要非常精細(xì)地優(yōu)化每個(gè)量子比特的調(diào)控參數(shù)和它們之間的相互作用，這個(gè)過(guò)程需要準(zhǔn)備兩個(gè)月?！痹S凱說(shuō)，通過(guò)使程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化參數(shù)搜索，進(jìn)行自動(dòng)化操控，未來(lái)的研究會(huì)更加高效。
由于“莊子”量子處理器超過(guò)40個(gè)量子比特，這足以讓研究人員在這個(gè)重要的一維量子多體系統(tǒng)復(fù)雜的能帶結(jié)構(gòu)中捕捉到大量拓?fù)涮卣鳌Ｊ褂糜筛叨瓤煽氐腇loquet（周期驅(qū)動(dòng)）調(diào)控技術(shù)輔助的超導(dǎo)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(lái)探索含噪聲中等規(guī)模量子時(shí)代的量子拓?fù)湎到y(tǒng)。
前景廣闊 需要人才
許凱和相忠誠(chéng)及其所在團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于超導(dǎo)量子計(jì)算、量子模擬、量子器件制備等方面的實(shí)驗(yàn)研究，并取得了許多領(lǐng)先的成果。在他們看來(lái)，量子計(jì)算前景廣闊，未來(lái)還有很長(zhǎng)的路要走。
“雖然目前量子芯片只能完成一些特定任務(wù)，而且還未達(dá)到超越經(jīng)典計(jì)算的量子優(yōu)勢(shì)，但是通過(guò)量子模擬的實(shí)驗(yàn)可以積累各種操控技術(shù)、探索和展示量子計(jì)算的各種應(yīng)用場(chǎng)景，這對(duì)未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用都是非常有價(jià)值的?！痹S凱說(shuō)。
在許凱看來(lái)，我國(guó)在量子計(jì)算方面與國(guó)際上最好的團(tuán)隊(duì)相比還存在一定的差距。量子計(jì)算是一個(gè)交叉學(xué)科，需要各方面的人才，他們期待新鮮血液加入量子團(tuán)隊(duì)。
“我們雖然需要建立全方位的生態(tài)，但還要尊重科學(xué)發(fā)展的自然規(guī)律，在加快實(shí)驗(yàn)節(jié)奏的同時(shí)不能操之過(guò)急?！痹S凱說(shuō)。