中國的量子計算機又迎來重要進展。在一周之內，由中國科學技術大學和浙江大學主導的兩支研究團隊分別在《物理評論快報》和 Science 上發表了其在量子計算上的最新研究。兩個研究的重點並不相同，但都採用了高量子比特晶片作為基礎物理研究課題的實驗平臺，顯示了中國作為量子計算第一梯隊的實力。
也就是說，在其他國家的研究團隊還在糾結如何增加晶片中的量子比特數以及糾錯算法時，我國科學家已經可以用高量子比特晶片來做實際的研究了。
中科大：在 24 位量子比特量子晶片上施展「魔法」
來自中科大潘建偉研究團隊的「Propagation and Localization of Collective Excitations on a 24-Qubit Superconducting Processor」，文章刊登於 2019 年 7 月 31 日的《物理評論快報》（Physics Review Letter）上。三位第一作者中有兩位來自中科大，另一位來自中科院北京國家凝聚態研究所。
中科大團隊在文章中展示了他們在 24 位量子比特量子晶片上施展的「魔法」。
研究團隊選取了基礎物理中十分經典的研究課題——「玻色-哈勃德模型（Bose-Hubbard Model）」。簡單而言，這是一個基本粒子相互作用力的物理模型，研究對象是玻色子（自旋量子數為整數倍的微小粒子），例如實驗中使用的光子。
怎麼來研究相互作用力？一般是在實驗中將系統中某個玻色子的狀態改變，再觀察它以及其他玻色子狀態變化，並以此推出它們之間的相互作用力。
具體來說，研究團隊採用一塊 24 量子比特（Qubit）的量子晶片進行試驗，如圖所示，量子比特 Q1A~Q10A 以及 Q1B~Q10B 中的光子是實驗中編碼和觀測的對象，它們之間由電容耦合在一起，那麼這 20 個量子比特就形成了一個 2 x 10 的「梯子」。如果我們將其中一個光子置為激發態，即圖中的紅色球，它可能會引起旁邊三個光子的狀態變化，就像球從一個坑移動到另一個坑一樣。
可以理解為，這就是一個看光子的激發態怎麼爬梯的實驗。
首先，研究人員將邊緣量子比特的光子置為激發態，它會像球一樣，結果顯示激發態會從一邊傳遞到另一邊，這和玻色-哈勃德模型的理論相符合，而實驗的結果和仿真計算結果吻合。接著，他們做了第二個實驗，將兩端對角的兩個邊緣量子比特光子置為激發態，實驗結果顯示，兩個光子的激發態相互獨立地從一端移動到了另一端。最後，他們將一端的兩個光子同時置為激發態，並探求這種情況下整個玻色-哈勃德梯子的狀態，他們發現此時激發態並沒有「傳播」下去，而是在一端形成局部化的狀態。
這樣的實驗結果看似十分簡單，但是卻有著重要的研究意義。
首先，實驗結果驗證了玻色-哈勃德模型的理論，並在一定意義上顯示了玻色子之間的強相互作用力，對於基礎粒子的研究具有重要意義；其次，我們如果將光子看成是能夠存儲信息的單元，而事實上它們也是存在於量子晶片的量子比特上的，那麼這樣的實驗也可以看成是量子比特間進行通信的嘗試和探索，對於量子計算機以及量子通信有指導意義；最後實驗本身驗證了 24-Qubit 量子晶片的正確性，我們有理由相信今後會有更多、更複雜的實驗能夠在這樣的架構上實現。
刷新量子晶片世界紀錄，「虐貓狂人」出浙大
浙江大學為主的研究團隊雖然也是開發並使用高量子比特的量子晶片，但是他們有新的亮點。研究團隊的成員來自浙江大學、中科院物理所、中科院自動化所、北京計算科學研究中心等研究機構，他們通力合作開發出具有 20 個超導量子比特的量子晶片，雖然量子比特數沒有達到 24，但是該晶片成功操控其實現全局糾纏，刷新了固態量子器件中生成糾纏態的量子比特數目的世界紀錄。實驗成果以文章的形式發表於 Science 雜誌上。
在量子計算領域，高量子比特的量子晶片或者計算機有著超乎尋常的計算能力，而且位數越多，能力越大。全局糾纏，通俗的理解就是讓所有量子比特協同起來參與工作。
本文的共同第一作者許凱總結道：「與世界上其他的超導量子晶片相比，我們研發的晶片擁有一個顯著特點，那就是所有比特之間都能夠進行相互連接，這能夠提升量子晶片的運行效率，也是我們能夠率先實現 20 比特糾纏的重要原因之一。」
這種晶片架構，20 個超導量子比特如圖一樣呈現兩排平行的排列。與電腦的架構類似，在晶片中間採用了一條總線（Bus）作為所有量子比特相互連接的途徑。而每一個量子比特又有自己的控制埠（如圖中所示的紅線和藍線）。也就是說，每一個量子比特都能獨立編程、讀寫以及檢測，而總線的設計又將這些量子比特聯繫在了一起，實現全局糾纏。
如此強大的晶片自然要用來做實驗。研究團隊基於晶片的全局糾纏實現了 18 比特的全局糾纏的GHZ 態，以及 20 比特的薛丁格貓態。文章的共同第一作者宋超說：「我們確實看到了在經典世界中看不到的現象，用更形象（的表述）就是——一隻由 20 個人造原子構成的『貓』，薛丁格貓態。」
所謂薛丁格的貓態，就是不確定狀態的疊加。正如「薛丁格的貓」這一著名思維實現闡述，我們未打開盒子之前的貓應該是「不死不活」的，是「死」和「活」狀態的疊加，但是我們無法在宏觀經典世界看見這所謂的「不死不活」的貓。然而隨著量子力學的發展，科學家已先後通過各種方案獲得了宏觀量子疊加態，即薛丁格貓態。此前，科學家最多使 4 個離子或 5 個光子達到「薛丁格貓」態。但如何使更多粒子構成的系統達到這種狀態，已成為實驗物理學的一大挑戰。
實驗開始前，研究團隊將 20 個量子比特的初始狀態設置為統一的相干態，同一時間「釋放」。
結果令人激動，在短短的 187 納秒之內，20 個量子比特經歷多次變換，最終形成同時存在兩種相反狀態的量子糾纏態——他們真的看見了「不死不活」的貓了！能夠控制這些量子比特生成全局糾纏態，也彰顯了研究團隊精確控制和檢測量子比特的能力，而這精彩的187納秒，也見證了人類在量子計算研究上翻開了新的一頁。
方興未艾的量子計算
最近幾年，量子計算、量子晶片、量子糾纏等詞彙以極高的頻率出現在公眾視野中，為什麼大家都熱衷於此？
量子計算可以說是計算能力最有可能超越經典計算機的技術了，而現存的量子計算機也證明了這一點，國際上各大計算機公司、大學及研究機構都在你追我趕地進行量子計算的研究，諸如谷歌、IBM、微軟、英特爾、華為、阿里巴巴等全球高科技公司都為此投入大量研究力量。
量子計算機的概念始於上世紀 80 年代：1982 年，著名物理學家理察·費曼提出設想：既然自然的本質是量子的，我們能否造出一臺遵循量子規律的計算機，去更好地認識量子世界？理論上來說，量子計算機的計算能力會比經典計算機要高得多。經典計算機就是我們現在日常使用的計算機，它的運算和存儲單元是「1 字節（bit）」，以二進位為運算法則。1 字節中的狀態為「0」或者「1」。
然而，量子計算機的運算和存儲單元「1 量子比特」，這個量子比特存儲數據的能力與字節就不能同日而語了。
量子比特的運算法則遵循量子力學的疊加原理，例如著名的薛丁格的貓，在我們打開盒子之前，貓的狀態是無法確定的，可以說是不死不活，是「死和活」的疊加狀態。類似地，1 個量子比特的狀態就可以是「0」和「1」的疊加狀態，如此一來，一個量子比特擁有的信息量就比經典計算機中的 1 字節中的要多得多了。
舉個慄子，考慮一個 N 個物理比特的存儲器，若它是經典存儲器，則它只能存儲2^N 個可能數據當中的任意一個；若它是量子存儲器，則它可以同時存儲 2^N 個數，而且隨著 N 的增加，其存儲信息的能力將呈指數上升。這也是當今量子計算巨頭都在爭相追趕高位數量子計算機的原因。
（來源：FLICKR）
理論上性能如此強大的量子計算機為何至今還沒有投入大規模使用？
原因有很多，首先，量子計算機基於量子比特，而量子比特的工作環境要求十分嚴苛，以本文即將介紹的兩個實驗為例，兩個團隊的量子晶片分別有24個量子比特和 20 個量子比特，它們由超導體的電路構成。而超導體的形成條件就十分嚴苛了，一般要求超低溫，那麼這樣的條件是不可能走入尋常百姓家的。其次，從量子比特到量子晶片再到量子計算機，這一條路看似簡單，其實還有很多設計和架構上的問題。不同於經典計算機，量子晶片和量子計算機的架構無法直接套用經典計算機的技術，控制算法要求十分精確。
最後，量子比特的糾錯問題也是十分具體的，來自量子比特內的熱量、來自基本的量子力學過程的隨機波動都可能會干擾量子比特的狀態，從而造成計算錯誤。為了處理這些錯誤，我們需要增加額外的量子比特或者預先指定一部分量子比特來進行糾錯，這樣一來，就有很大一部分計算能力要被用於糾正錯誤，而不是進行計算。
不過，儘管有這麼多問題，量子計算機仍將是人類為之嚮往的科技，讓我們期待科學家帶來更多的技術突破。