科學(xué)新知｜“莊子”超導量子芯片演繹“莊周夢(mèng)蝶”

量子計算的前景令人期待，它在基礎科學(xué)研究、新材料和藥物研發(fā)，類(lèi)腦人工智能技術(shù)開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域均具有潛在應用價(jià)值。然而，超導量子芯片的長(cháng)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)量子信息與計算實(shí)驗室研究員范桁、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(kāi)發(fā)了超40比特的一維超導量子芯片，以戰國時(shí)期思想家和哲學(xué)家“莊子”命名，并利用其成功模擬了“侯世達蝴蝶”能譜以及各種新奇拓撲零模式。相關(guān)研究成果發(fā)表于《物理評論快報》雜志。

“莊子”芯片誕生記

在科學(xué)家看來(lái)，大規模的量子計算正在朝著(zhù)實(shí)用化的方向發(fā)展，要想實(shí)現實(shí)用化，需要操縱精確、比特數多、相干時(shí)間長(cháng)、效率足夠高。在這個(gè)過(guò)程中，量子芯片的設計、制備和測控至關(guān)重要。

相忠誠長(cháng)期從事超導量子芯片制備，他告訴《中國科學(xué)報》，與傳統的芯片相比，量子芯片對外界環(huán)境的擾動(dòng)非常敏感，“量子芯片是一種非常脆弱的系統，穩定時(shí)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，需要足夠的速度能趕在雪融化之前把雪人造出來(lái)。通常超導量子芯片的相干時(shí)間大約在幾十微秒量級，這意味著(zhù)量子效應維持的時(shí)間只在短短一瞬間，所以我們要在很短的相干時(shí)間尺度內精確執行完量子算法是比較困難的?！?/p>

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)驗室的超導量子計算實(shí)驗平臺，鄭東寧與相忠誠經(jīng)過(guò)在器件設計和制備的實(shí)踐中反復摸索思考，不斷改進(jìn)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設計和制備，芯片中整體比特參數與設計值的一致性，總體退相干時(shí)間、制備良品率、測控信號的串擾、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)間可達到百微秒量級。

觀(guān)測“侯世達蝴蝶”(Hofstadter butterfly)能譜（受訪(fǎng)者提供）

該工作設計并構建了多達41個(gè)量子比特的對角AAH模型的各種實(shí)例，并應用動(dòng)態(tài)光譜技術(shù)實(shí)驗測量了著(zhù)名的“侯世達蝴蝶”能譜。由于對角AAH模型的拓撲特性，出現了“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，讓人不禁聯(lián)想到戰國時(shí)期莊周夢(mèng)蝶的故事，這也是該量子處理器命名的由來(lái)。

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”身體細節中的分形結構和能帶的分裂也被清晰地展示出來(lái)。

零下200余度的實(shí)驗

量子芯片是第一步，利用多個(gè)超導量子比特模擬各種量子效應也是當前人們關(guān)注的前沿研究。

這枚芯片如指甲蓋大小。拿到芯片后，許凱和團隊成員立刻開(kāi)始進(jìn)行量子芯片測控，開(kāi)展量子模擬實(shí)驗。許凱告訴《中國科學(xué)報》，“量子模擬，就是通過(guò)調控量子芯片構建一些重要的多體模型，從而實(shí)現對真實(shí)物質(zhì)或材料體系的各種新奇物理和特性進(jìn)行仿真和計算，以解決在能源，材料等領(lǐng)域的一系列重要問(wèn)題?！?/p>

超導量子計算芯片在常溫下無(wú)法工作，需要在極低溫環(huán)境中，避免熱量（噪音）對量子態(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(wú)損的超導態(tài)并有效抑制芯片周?chē)沫h(huán)境噪聲和熱噪聲，從而呈現量子效應，科研人員也才能更好操控量子效應。

操控芯片的過(guò)程并不輕松。在實(shí)驗室，數十臺儀器微波脈沖信號與“芯片”相連，研究人員在自己開(kāi)發(fā)的軟件平臺上編寫(xiě)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)間達到了納秒級別。

“我們需要經(jīng)過(guò)非常精細地優(yōu)化每個(gè)量子比特的調控參數和它們之間的相互作用，這個(gè)過(guò)程就需要準備兩個(gè)月”，許凱說(shuō)，通過(guò)促使程序實(shí)現自動(dòng)化的參數搜索，做自動(dòng)化的操控，未來(lái)的研究會(huì )更加高效。

由于“莊子”量子處理器中有超過(guò)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復雜的能帶結構中捕捉到它的大量拓撲特征。使用由高度可控的Floquet（周期驅動(dòng)）調控技術(shù)輔助的超導量子處理器，該工作建立了一種通用的混合量子模擬方法來(lái)探索含噪聲中等規模量子時(shí)代的量子拓撲系統。

前景廣闊 需要人才

許凱和相忠誠及其所在團隊長(cháng)期致力于超導量子計算、量子模擬和量子器件等方面的實(shí)驗研究，取得了諸多領(lǐng)先的成果。

但在他們看來(lái)，前景廣闊，未來(lái)還有很長(cháng)的要走。

“雖然目前量子芯片只能完成一些特定的任務(wù)，并且還未達到超越經(jīng)典計算的量子優(yōu)勢，但是通過(guò)量子模擬的實(shí)驗可以積累各種操控技術(shù)，并探索和展示出量子計算的各種應用場(chǎng)景，這對于未來(lái)量子計算機的實(shí)現和應用都是非常有價(jià)值的?！痹S凱說(shuō)。

在科研人員看來(lái)，與國際上最好的團隊相比，我國在量子計算方面目前還存在一定的差距。在許凱看來(lái)，量子計算是一個(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隊?！靶枰⑷轿坏纳鷳B(tài)。但還是得尊重科學(xué)發(fā)展的自然規律，一方面要加快實(shí)驗的節奏，另一方面也不能太急?！痹S凱說(shuō)。