Komputasi kuantum adalah kunci untuk teknologi informasi generasi berikutnya, dan ini juga merupakan masalah ilmiah utama dalam penelitian fisika perbatasan saat ini. Ada banyak skema untuk mewujudkan komputasi kuantum. Diantaranya, komputasi kuantum superkonduktor adalah salah satu skema implementasi komputer kuantum tujuan umum yang paling menjanjikan karena waktu koherensi yang lama, skalabilitas yang baik, dan pengukuran kontrol yang tepat. Ini bukan hanya arah utama penelitian ilmiah, tetapi juga intervensi dan investasi mendalam dari modal dan talenta dari perusahaan teknologi tinggi internasional seperti Google, IBM, dan Intel. Baru-baru ini, perusahaan-perusahaan ini telah mengumumkan bahwa mereka telah menyiapkan chip kuantum superkonduktor yang mencakup lusinan bit fisik, dan saat ini sedang mengujinya.
Institut Fisika, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok / Pusat Penelitian Nasional Beijing untuk Fisika Benda Terkondensasi berpartisipasi dalam pengembangan awal teknologi komputasi kuantum superkonduktor. Ia telah mengumpulkan lebih dari sepuluh tahun penelitian dan merupakan realisasi domestik pertama dari persiapan dan status kuantum perangkat qubit superkonduktor. Unit eksperimen evolusi yang koheren. Dalam beberapa tahun terakhir, kelompok penelitian Zheng Dongning dan kelompok penelitian Lu Li dari Institut Fisika telah bekerja sama dengan tim peneliti dari unit-unit bersaudara seperti kelompok penelitian Wang Haohua dari Universitas Zhejiang dan kelompok penelitian Zhu Xiaobo dari Universitas Sains dan Teknologi Cina (dipindahkan dari Institut Fisika ke Universitas Sains dan Teknologi Cina pada awal 2016). Platform pemrosesan mikro-nano dan kondisi terkait lainnya telah secara berturut-turut menyiapkan sampel multi-bit tipe Xmon dengan waktu dekoherensi panjang 5 qubit (Gambar 1), 6 qubit (Gambar 2), 9 qubit dan 10 qubit (Gambar 3). . Selain itu, ini juga yang pertama di dalam negeri untuk menyiapkan bandwidth lebar dan rentang dinamis tinggi penguat parametrik Josephson, yang meningkatkan pengukuran qubit ke level yang mendekati foton tunggal, meletakkan dasar untuk pengukuran cepat tingkat tinggi dari beberapa status kuantum. Deng Hui dan mahasiswa PhD Huang Keqiang dari kelompok SC5 di Superconducting Laboratory menyelesaikan persiapan sebenarnya dari perangkat tersebut.
Atas dasar pengembangan chip kuantum superkonduktor multi-bit dengan kinerja yang baik, kelompok penelitian terkait dari Institut Fisika telah berpartisipasi dalam sejumlah studi kerja sama dengan kelompok penelitian Wang Haohua dari Universitas Zhejiang dan kelompok penelitian Zhu Xiaobo dari Universitas Sains dan Teknologi China, masing-masing dalam komputasi kuantum superkonduktor dan simulasi kuantum Dalam beberapa aspek penelitian, tim Chaoyang dan Pan Jianwei dari Sains dan Teknologi Tiongkok, kelompok penelitian Profesor Zheng Shibiao dari Universitas Fuzhou dan Profesor Han Siyuan dari Universitas Kansas di Amerika Serikat telah melakukan penelitian kooperatif, dan mencapai serangkaian hasil:
Menggunakan 4 qubit dalam perangkat superkonduktor 6-bit, algoritma kuantum HHL untuk menyelesaikan persamaan linier didemonstrasikan. Algoritma HHL adalah algoritma untuk menyelesaikan kelompok persamaan linier yang dikemukakan oleh A. W. Harrow, A. Hassidim dan S. Lloyd pada tahun 2009, yang dapat mencapai kecepatan solusi yang dipercepat secara eksponensial. Karena persamaan linier memiliki banyak aplikasi dalam penelitian ilmiah dan aplikasi teknik, algoritma ini memiliki prospek penerapan yang sangat penting. Setelah beberapa tahun dikembangkan, algoritma tersebut terbukti diharapkan dapat diterapkan pada bidang kecerdasan buatan dan analisis big data, sehingga mendapat banyak perhatian dalam beberapa tahun terakhir. Algoritme kuantum telah didemonstrasikan dalam sistem resonansi magnetik fotonik dan nuklir, tetapi penelitian kolaboratif ini adalah demonstrasi pertama dalam sistem solid-state yang dapat diskalakan. Artikel tersebut dipublikasikan di Phys. Rev. Lett. 118, 210504 (2017) dan terpilih sebagai rekomendasi editor.
Keterikatan global 10-qubit GHZ direalisasikan untuk pertama kalinya menggunakan perangkat superkonduktor 10-bit, dan rekor dunia untuk jumlah qubit yang terikat global dari qubit superkonduktor dibuat. Kesetiaan keterjeratan mencapai sekitar 66,8%. Artikel penelitian kolaboratif diterbitkan di Phys. Rev. Lett. 119, 180511 (2017), dan terpilih sebagai rekomendasi editor.
Eksekusi komputasi kuantum memerlukan pengoperasian serangkaian gerbang logika kuantum. Gerbang NOT yang dikontrol dan beberapa gerbang NOT terkontrol adalah gerbang logika dua qubit dan multi-qubit. Keduanya memiliki kemampuan untuk menghasilkan keterikatan kuantum. Realisasinya memerlukan eksperimen. Kontrol yang tepat di atas. Penelitian kolaboratif didasarkan pada skema fase geometris dan mendemonstrasikan realisasi kesetiaan tinggi dari beberapa gerbang NOT yang dikontrol logis, meletakkan dasar yang kokoh untuk realisasi komputasi kuantum umum. Artikel tersebut dipublikasikan di Nature Commun. 8, 1061 (2017).
Baru-baru ini, Fan Heng dan kelompok penelitian lain dari Institut Fisika Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok telah bekerja sama dengan kelompok penelitian Wang Haohua dari Universitas Zhejiang dan kelompok penelitian Zhu Xiaobo dari Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok untuk melakukan penelitian simulasi kuantum pada masalah lokalisasi multi-tubuh. Simulasi kuantum adalah metode untuk membandingkan properti fisik dari sistem kuantum yang dieksplorasi dengan menggunakan sistem kuantum yang dapat dikontrol. Lokalisasi banyak benda kuantum adalah fenomena kuantum yang baru diusulkan, yang berbeda dari lokalisasi Anderson yang terkenal karena sistemnya tidak Produk, ada interaksi jarak jauh. Menggunakan sampel superkonduktor 10-bit dengan waktu koherensi lama yang disebutkan di atas, tim dari Institut Fisika, Universitas Zhejiang dan Universitas Sains dan Teknologi Cina berhasil merealisasikan demonstrasi lokalisasi multi-benda kuantum (Gambar 4). Fitur penting dari lokalisasi banyak benda kuantum adalah bahwa entropi belitan kuantum meningkat secara logaritmik seiring waktu. Fenomena ini dikuantifikasi untuk pertama kalinya dalam eksperimen. Salah satu fitur dari perangkat 10-bit adalah ia dapat mewujudkan kopling sewenang-wenang antara beberapa bit (Gambar 3), termasuk beberapa bit Xmon dan perangkat kopling rongga umum, di mana rongga resonan berfungsi sebagai bus yang menghubungkan setiap bit Xmon Setiap bit Xmon mengadopsi konfigurasi dengan tingkat energi yang dapat disesuaikan, dan tingkat energi setiap bit dapat disesuaikan secara independen melalui bias eksternal.Selama proses pengukuran, kopling resonansi atau kopling dispersi antara dua bit Xmon dapat direalisasikan . Fitur perangkat ini memungkinkan karakteristik yang tidak teratur dan interaksi jarak jauh dikontrol dengan mudah dalam eksperimen, memastikan kondisi lokalisasi multi-tubuh. Chen Jinjun, peneliti di Institute of Physics dan mahasiswa Ph.D di bawah pengawasan Chen Jinjun, dan timnya menentukan rencana eksperimental spesifik dan menyelesaikan analisis teoritis. Pengukuran diselesaikan di Universitas Zhejiang. Artikel tersebut dipublikasikan di Phys. Rev. Lett. 120, 050507 (2018).
Pekerjaan di atas didukung oleh National Natural Science Foundation of China (11434008, 91536108, 91321208, 11574380), Ministry of Science and Technology (2014CB921201, 2016YFA0302104, 2014CB921401, 2016YFA0300600) dan Chinese Academy of Sciences (XDPB08-3).
referensi:
YR Zheng, C. Song, MC Chen, BX Xia, WX Liu, QJ Guo, LB Zhang, D. Xu, H. Deng, KQ Huang, YL Wu, ZG Yan, DN Zheng, L. Lu, JW Pan, H . Wang *, CY Lu *, XB Zhu *, Sistem Pemecahan Persamaan Linear dengan Prosesor Kuantum Superkonduktor, Phys. Rev. Lett. 118, 210504 (2017).
C. Song, K. Xu, WX Liu, CP Yang, SB Zheng *, H. Deng, QW Xie, KQ Huang, QJ Guo, LB Zhang, PF Zhang, D. Xu, DN Zheng, XB Zhu *, H. Wang *, YA Chen, CY Lu, SY Han, JW Pan, 10-Qubit Entanglement dan Operasi Paralel Logika dengan Sirkuit Superkonduktor, Phys. Rev. Lett. 119, 180511 (2017).
C. Song, SB Zheng *, PF Zhang, K. Xu, LB Zhang, QJ Guo, WX Liu, D. Xu, H. Deng, KQ Huang, DN Zheng, XB Zhu *, H. Wang *, Continuous-variable fase geometris dan manipulasinya untuk komputasi kuantum dalam rangkaian superkonduktor, Nature Commun.8, 1061 (2017).
K. Xu, JJ Chen, Y. Zeng, YR Zhang, C. Song, WX Liu, QJ Guo, PF Zhang, D. Xu, H. Deng, KQ Huang, H. Wang *, XB Zhu *, DN Zheng, H. Fan *, Meniru Lokalisasi Banyak Tubuh dengan Prosesor Kuantum Superkonduktor, Phys. Rev. Lett. 120, 050507 (2018).
Gambar 1: Perangkat superkonduktor 5 qubit
Gambar 2: Perangkat superkonduktor 6 qubit
Gambar 3: Perangkat superkonduktor 10 qubit
Gambar 4: Matriks massa jenis yang diperoleh dengan tomografi keadaan kuantum. Lokalisasi multi-benda akan mempertahankan properti dari keadaan awal sistem. Gambar tersebut menunjukkan bahwa ketika intensitas gangguan adalah 0MHz, sistem mendekati keadaan termal tanpa informasi, dan ketika intensitas gangguan adalah 12MHz, sistem masih menyimpan informasi dari keadaan awal. Untuk gambar aslinya, lihat Phys. Rev. Lett. 120, 050507 (2018).
Editor: Cloudiiink
10 Artikel Populer Terbaru
Klik judul untuk melihat