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浙大物理系与中科大等多个研究团队合作在超导量子计算和量子模拟领域取得了多个重要进展

编辑:phymaxc 时间:2017年05月05日 访问次数:2843

      1981年著名物理学家费曼首先提出了有关量子计算的设想,这一想法在此后的30多年中在理论和实验上都取得了飞速发展。理论研究表明,基于量子叠加原理的量子计算机针对特定问题可能展现出经典计算机无法比拟的优势。实验上实现量子计算的物理体系有很多,相较于光学系统、离子阱和量子点等微观体系,基于宏观约瑟夫森效应的超导电路由于其在可操控性和可扩展性等方面的优势,是目前国际上公认的有希望实现量子计算的几个物理载体之一。近五年来,浙江大学物理系王浩华课题组一直致力于超导量子计算和量子模拟的实验研究,近期与国内兄弟单位合作在该领域取了多个突破性进展。
      量子加速的能力源于量子力学的基本特性如量子叠加和量子纠缠等。量子系统通常由数量很多的粒子组成,其状态用希尔伯特空间中的态矢量描述。随着粒子数的增多,描述该系统的希尔伯特空间的维度呈指数增加,用经典计算机模拟该系统的演化几乎是一个不可能完成的任务。而对于量子计算机,其基本单元是量子比特,由于量子态的叠加性,一个由  N  个量子比特组成的量子计算机可以同时处于2^N种状态,并能够同时对这2^N种状态进行并行操作,其效果相当于经典计算机重复实施2^N次操作或一次操作中同时运行2^N个处理器。因此采用合适的量子算法,利用量子叠加和量子纠缠等特性的量子计算机可以展现出远强于经典计算机的计算能力。
      量子纠缠在量子纠错、量子模拟和量子非局域性的研究中也扮演着极其重要的角色。制备高保真度的多比特量子纠缠态对量子器件的相干性和量子比特的精确调控能力有着极高的要求,是量子计算领域的一个难点。王浩华课题组与中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、陆朝阳课题组,福州大学郑仕标课题组以及中科院物理所郑东宁课题组等合作,联合研发了十比特超导量子芯片,通过高精度脉冲控制和全局纠缠方案,成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纠缠,并通过层析测量方法完整地刻画了十比特量子态。该工作文章已于近期在论文预印网站在线(https://arxiv.org/pdf/1703.10302.pdf),引起了国内外的广泛关注。英国物理学会Physics World 杂志也对该工作进行了专题报道(http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/apr/13/ten-superconducting-qubits-entangled-by-physicists-in-china)。

      进一步,研究团队利用超导量子电路演示了求解线性方程组的量子算法。在科学研究与工程应用中,求解线性方程组是一个非常普遍且关键的问题。2009年,三位学者Harrow,Hassidim和Lloyd提出了针对求解线性方程组的量子算法(HHL算法),相比于经典算法,其在特定情况下具有指数加速效应。王浩华课题组与中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、陆朝阳课题组和中科院物理所郑东宁课题组等合作,在一块集成了四个比特的超导量子电路芯片上演示了求解线性方程组的HHL算法。该算法序列使用了近20个量子门的操控,整体保真度超过80%,展现了可集成固态系统用于快速求解线性方程组的潜力,相关成果即将发表在国际权威期刊 Physical Review Letters上(论文预印网站链接https://arxiv.org/pdf/1703.06613.pdf)。
 

      量子计算机还可用于研究凝聚态物理中的诸多基本问题,例如模拟任意子的分数统计行为。1997年,俄国物理学家Alexei Kitaev提出了Kitaev模型,该模型可以产生局域的拓扑型激发(称之为任意子)。量子信息非局域地编码在系统的波函数中,可以通过移动任意子来实现量子态的演变,从而完成量子计算。王浩华课题组与中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳课题组合作,利用一块由超导谐振腔耦合四个量子比特的超导芯片,用微波信号调控使任意子相互环绕一周,在国际上首次实现用固态系统模拟有任意子激发的Kitaev模型,证明了非平凡的量子态演变。这一研究成果展示了拓扑编织操作在固态器件中实现的可能性。相关成果作为编辑推荐(Editors' Suggestion)发表在国际权威期刊 Physical Review Letters上(https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.117.110501)。
      系列工作得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部2011计划以及中央高校基本科研业务费专项资金等的资助。