科學(xué)新知｜“莊子”超導(dǎo)量子芯片演繹“莊周夢(mèng)蝶”

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)開發(fā)等領(lǐng)域均具有潛在應(yīng)用價(jià)值。然而，超導(dǎo)量子芯片的長(zhǎng)退相干時(shí)間和高控制精度等方面的缺陷仍是科學(xué)家關(guān)注的重點(diǎn)。

近日，中國科學(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等通力合作開發(fā)了超40比特的一維超導(dǎo)量子芯片，以戰(zhàn)國時(shí)期思想家和哲學(xué)家“莊子”命名，并利用其成功模擬了“侯世達(dá)蝴蝶”能譜以及各種新奇拓?fù)淞隳Ｊ健Ｏ嚓P(guān)研究成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》雜志。

“莊子”芯片誕生記

在科學(xué)家看來，大規(guī)模的量子計(jì)算正在朝著實(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)過程中，量子芯片的設(shè)計(jì)、制備和測(cè)控至關(guān)重要。

相忠誠長(zhǎng)期從事超導(dǎo)量子芯片制備，他告訴《中國科學(xué)報(bào)》，與傳統(tǒng)的芯片相比，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，需要足夠的速度能趕在雪融化之前把雪人造出來。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)間只在短短一瞬間，所以我們要在很短的相干時(shí)間尺度內(nèi)精確執(zhí)行完量子算法是比較困難的。”

借助中國科學(xué)院物理研究所位于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)，鄭東寧與相忠誠經(jīng)過在器件設(shè)計(jì)和制備的實(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)量子芯片設(shè)計(jì)和制備，芯片中整體比特參數(shù)與設(shè)計(jì)值的一致性，總體退相干時(shí)間、制備良品率、測(cè)控信號(hào)的串?dāng)_、寄生模式的消除和量子狀態(tài)的易讀性等都獲得了大幅度提高。部分比特退相干時(shí)間可達(dá)到百微秒量級(jí)。

觀測(cè)“侯世達(dá)蝴蝶”(Hofstadter butterfly)能譜（受訪者提供）

該工作設(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)能譜圖看起來就像一只翩翩起舞的蝴蝶，讓人不禁聯(lián)想到戰(zhàn)國時(shí)期莊周夢(mèng)蝶的故事，這也是該量子處理器命名的由來。

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)和能帶的分裂也被清晰地展示出來。

零下200余度的實(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。

這枚芯片如指甲蓋大小。拿到芯片后，許凱和團(tuán)隊(duì)成員立刻開始進(jìn)行量子芯片測(cè)控，開展量子模擬實(shí)驗(yàn)。許凱告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“量子模擬，就是通過調(diào)控量子芯片構(gòu)建一些重要的多體模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)物質(zhì)或材料體系的各種新奇物理和特性進(jìn)行仿真和計(jì)算，以解決在能源，材料等領(lǐng)域的一系列重要問題?！?/p>

超導(dǎo)量子計(jì)算芯片在常溫下無法工作，需要在極低溫環(huán)境中，避免熱量（噪音）對(duì)量子態(tài)進(jìn)行干擾。

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)，科研人員也才能更好操控量子效應(yīng)。

操控芯片的過程并不輕松。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，研究人員在自己開發(fā)的軟件平臺(tái)上編寫程序控制儀器，給芯片發(fā)出“指令”，從而“操縱”芯片?！爸噶睢卑l(fā)出的時(shí)間達(dá)到了納秒級(jí)別。

“我們需要經(jīng)過非常精細(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)過程就需要準(zhǔn)備兩個(gè)月”，許凱說，通過促使程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的參數(shù)搜索，做自動(dòng)化的操控，未來的研究會(huì)更加高效。

由于“莊子”量子處理器中有超過40個(gè)量子比特，這足以讓研究人員能夠在這個(gè)重要的一維量子多體系統(tǒng)復(fù)雜的能帶結(jié)構(gòu)中捕捉到它的大量拓?fù)涮卣?。使用由高度可控的Floquet（周期驅(qū)動(dòng)）調(diào)控技術(shù)輔助的超導(dǎo)量子處理器，該工作建立了一種通用的混合量子模擬方法來探索含噪聲中等規(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、量子模擬和量子器件等方面的實(shí)驗(yàn)研究，取得了諸多領(lǐng)先的成果。

但在他們看來，前景廣闊，未來還有很長(zhǎng)的要走。

“雖然目前量子芯片只能完成一些特定的任務(wù)，并且還未達(dá)到超越經(jīng)典計(jì)算的量子優(yōu)勢(shì)，但是通過量子模擬的實(shí)驗(yàn)可以積累各種操控技術(shù)，并探索和展示出量子計(jì)算的各種應(yīng)用場(chǎng)景，這對(duì)于未來量子計(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。

在科研人員看來，與國際上最好的團(tuán)隊(duì)相比，我國在量子計(jì)算方面目前還存在一定的差距。在許凱看來，量子計(jì)算是一個(gè)交叉學(xué)科，需要各方面的人才，他們迫切地期待新鮮血液加入量子團(tuán)隊(duì)。“需要建立全方位的生態(tài)。但還是得尊重科學(xué)發(fā)展的自然規(guī)律，一方面要加快實(shí)驗(yàn)的節(jié)奏，另一方面也不能太急?！痹S凱說。