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物理学家实现量子比特计算突破 精选

已有 4890 次阅读 2022-10-18 21:12 |个人分类:新科技|系统分类:博客资讯

物理学家实现量子比特计算突破

诸平

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a. Experimental SC circuit of device I with qubits and couplers in a square geometry. The light-grey dashed rectangles represent dimers that constitute the chain with intracoupling Ja, intercoupling Je and small cross-coupling Jx. b. Schematic (upper left) of the dynamics of the collective dimer states |Π〉 and |Π′〉. Numerics of the ratio Δ/Γ as a function of system size L for different ratios of Ja/Je, with Jx/2π in the range of [0.3, 1.2] MHz (lower left). Four-dimensional hypercube in the Hilbert space (right). c. Quantum state tomography for the four-qubit fidelity FA(t) and entanglement entropy SA(t) in a 30-qubit chain for thermalizing initial states, namely, |0101…0110〉 (i) and |01001…100110110〉 (ii), and the QMBS state Π′ (green). The couplings are Ja/2π = 1.5Je/2π −9 MHz. The inset shows the Fourier transform of the four-qubit fidelity with the peak at ω1/2π ≈ 21 MHz. The dashed grey line in the bottom panel represents the maximal thermal entropy for the subsystem, approaching to 4ln(2). d. Same data as c, but for different couplings, namely, Ja/2π = 2.5Je/2π −10 MHz from device II and ω′1/2π ≈ 22 MHz. Schematics in c and d illustrate the bipartition of the system. Credit: Arizona State University, Zhejiang University

据美国亚利桑那州立大学(Arizona State University简称ASU20221013日报道,物理学家已经实现了量子比特计算突破(Physicists reach qubit computing breakthrough)。

来自亚利桑那州立大学和中国浙江大学(Zhejiang University in China)的研究人员,以及来自英国的两名理论家,已经能够首次证明,在可编程的固态超导处理器中,大量的量子比特(qubits)可以被调谐到相互作用,同时保持前所未有的长时间相干。

以前,这只在里德堡原子系统(Rydberg atom systems)中是可能的。相关研究结果于20221013日已经在《自然物理》(Nature Physics)杂志网站发表——Pengfei Zhang, Hang Dong, Yu Gao, Liangtian Zhao, Jie Hao, Jean-Yves Desaules, Qiujiang Guo, Jiachen Chen, Jinfeng Deng, Bobo Liu, Wenhui Ren, Yunyan Yao, Xu Zhang, Shibo Xu, Ke Wang, Feitong Jin, Xuhao Zhu, Bing Zhang, Hekang Li, Chao Song, Zhen Wang, Fangli Liu, Zlatko Papić, Lei Ying, H. Wang, Ying-Cheng Lai. Many-body Hilbert space scarring on a superconducting processor. Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01784-9. Published: 13 October 2022. https://www.nature.com/articles/s41567-022-01784-9

参与此项研究的除了来自美国亚利桑那州立大学和中国浙江大学的研究人员之外,还有来自中国科学院自动化研究所(Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences)、阿里巴巴-浙江大学前沿技术联合研究院(Alibaba-Zhejiang University Joint Research Institute of Frontier Technologies, Hangzhou, China);美国波士顿QuEra计算公司(QuEra Computing, Boston, MA, USA)以及英国利兹大学(University of Leeds, UK)的研究人员。

在这篇论文中,亚利桑那州立大学杰出教授来颖诚(Ying-Cheng Lai音译),他的前亚利桑那州立大学博士生殷磊(Lei Ying音译)和实验家王浩华(Haohua Wang音译;现在,他们2人均为中国浙江大学教授)展示了量子多体疤痕(quantum many-body scarring简称QMBS)态作为一种保持相互作用量子比特之间相干性的稳健机制的出现。这种奇异的量子态为量子信息科学和技术的各种应用提供了实现广泛的多方纠缠的可能性,以实现高处理速度和低功耗(low power consumption)。

殷磊解释说:QMBS态具有内在的和通用的多重纠缠能力,这使得它们对量子传感和计量学(metrology)等应用非常有吸引力。”

经典或二进制计算依赖于晶体管,它在一次只能表示“1”或“0”。在量子计算(quantum computing)中,量子位可以同时表示01,这可以成倍地加速计算过程。

来颖诚解释说:“在量子信息科学(quantum information science)和技术中,通常需要将大量的基本信息处理单元即量子比特(qubits)组装在一起。对于像量子计算这样的应用,在量子比特之间保持高度相干或量子纠缠(quantum entanglement)是必不可少的。然而,量子比特和环境噪声之间不可避免的相互作用,可以在大约10纳秒(10 ns)的很短时间内破坏相干性。这是因为许多相互作用的量子比特构成了一个多体系统。”

该研究的关键是洞察如何延迟热化以保持相干性,这被认为是量子计算的一个关键研究目标。

来颖诚说: “从基础物理学中,我们知道,在一个由许多相互作用的粒子组成的系统中,例如,在一个封闭的体积中,分子会发生热化过程。许多量子比特之间的争抢必然会导致量子热化,这一过程被所谓的本征态热化假说(Eigenstate Thermalization Hypothesis)所描述,它将破坏量子比特之间的相干性。”

来颖诚表示,量子计算的研究成果将在密码学、安全通信和网络安全等技术领域得到应用。

该研究装置是在浙江大学微纳制造中心(Micro-Nano Fabrication Center of Zhejiang University)制造的。本研究得到了中国国家自然科学基金(National Natural Science Foundation of China: grant nos. 92065204, U20A2076, 11725419 and 12174342)、中国国家基础研究计划(National Basic Research Program of China: grant no. 2017YFA0304300)以及浙江省重点研发计划(Zhejiang Province Key Research and Development Program: grant no. 2020C01019)的资助。在亚利桑那州立大学的这项工作得到了美国空军科学研究办公室(AFOSR: grant no. FA9550-21-1-0186)、英国工程和物理科学研究委员会(EPSRC grants EP/R020612/1 and EP/R513258/1)、利华休姆信托研究领导奖(Leverhulme Trust Research Leadership Award RL-2019-015)、以及中国中央高校基本科研业务费专项资金(Fundamental Research Funds for the Central Universities)的资助。

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道

Engineering robust and scalable molecular qubits 

Abstract

Quantum many-body scarring (QMBS) is a recently discovered form of weak ergodicity breaking in strongly interacting quantum systems, which presents opportunities for mitigating thermalization-induced decoherence in quantum information processing applications. However, the existing experimental realizations of QMBS are based on systems with specific kinetic constrains. Here we experimentally realize a distinct kind of QMBS by approximately decoupling a part of the many-body Hilbert space in the computational basis. Utilizing a programmable superconducting processor with 30 qubits and tunable couplings, we realize Hilbert space scarring in a non-constrained model in different geometries, including a linear chain and quasi-one-dimensional comb geometry. By reconstructing the full quantum state through quantum state tomography on four-qubit subsystems, we provide strong evidence for QMBS states by measuring qubit population dynamics, quantum fidelity and entanglement entropy after a quench from initial unentangled states. Our experimental findings broaden the realm of scarring mechanisms and identify correlations in QMBS states for quantum technology applications.



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