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来自清华学子的期末成绩单:一项量子世界的新纪录!

2018-01-13 08:06 尹璋琦

作者:尹璋琦

编辑:婉珺


1月12日早上,我们的论文终于在arXiv上发布了。


在过去的一段时间,我带领清华大学姚班本科生王远皓同学,与曾蓓教授,李颖博士合作,实现了IBM云计算服务器上所有16个量子比特的全量子纠缠!


16个量子比特的全量子纠缠,不仅仅是超导量子计算系统中的新记录,也打破了离子阱系统所创造的14个量子比特纠缠的记录和光子平台上的10光子量子纠缠的记录。


2016年5月,IBM宣布了5个量子比特量子云平台上线,吸引了全世界的目光。很快就有研究组基于这个平台开始做实验,并发表论文。


一年后,IBM的量子云平台升级,16量子比特的芯片上线。16量子比特的平台,比起5比特的平台那可是复杂了不少,很多有趣是想法都可以在上面验证了。可要是想访问16比特的芯片,还是得拿到内部的邀请权限才行。


16量子比特芯片结构示意图。图片来源:quantumexperience.ng.bluemix.net


2017年暑假,我碰到了加拿大Guelph大学和滑铁卢大学量子计算研究所的曾蓓副教授,聊起这个事情。我们决定一方面自己研究搭建一个量子云平台,另外一方面想办法拿到IBM的量子云平台的访问权限,在上面测试和做研究。


曾蓓教授以前在IBM的量子信息实验室工作过,跟那边的人很熟,所以很快就拿到了一个访问邀请码。正好,我组里清华大学姚班大二的王远皓同学还没有确定研究课题,我们与他讨论之后,确定由他在IBM的量子云上做测试,研究题目定为制备多体量子纠缠态。经曾蓓教授邀请,中物院研究生院的李颖副研究员也加入了这个项目,他是多体纠缠与容错量子计算理论方面的专家。


量子计算与经典计算的主要区别之一就是其中存在量子纠缠,可以实现超越经典计算能力的量子算法。量子纠缠态是量子算法加速的根源,量子计算机能够产生的量子纠缠越大,那么它的计算能力就越强。所以,要用量子云芯片做量子计算,我们首先想要了解的就是它到底能制备多大的量子纠缠态。


IBM 16量子比特的量子云芯片。图片来源:GitHub


而我们的工作,概括地来说,就是设计一个合适的方案,然后通过登陆远程服务器操控IBM实验室中的16量子比特的超导量子计算芯片,利用通用的量子逻辑门操作制备量子比特之间的多体量子纠缠,然后通过测量判定多体量子纠缠的存在。我们的目标是把16个量子比特全部纠缠起来。


考虑到IBM量子云的两比特逻辑门保真度不算太高(只有95%左右),我们选择的是图态(graph state)。理论上而言,图态对局域的噪声和测量都是比较鲁棒的,有望做出较大的量子纠缠态。


王远皓的学习能力非常强,在解决了访问不畅等小问题之后,他很快就上手做测试了。几周之后,他告诉我们,已经确认了4个量子比特的多体纠缠,但是做出6比特量子纠缠后,无法判定是否是多体纠缠态。利用量子云平台,他可以对所制备的多体纠缠态进行全息投影测量,获得其状态的密度矩阵。在根据密度矩阵与目标态之间的投影得到保真度,从而可以判定制备出来的态是否是多体纠缠态。


这种办法的问题在于,保真度随着多体纠缠态的量子比特数目增加而急剧下降,同时对多个比特进行投影测量所需要耗费的时间等资源也是在急剧上升的。此方法当比特数达到6个时就失效了。


带着这个问题,我们去找李颖讨论了一次。李颖建议我们基于图态的特性,对所制备的态只考虑最近邻的4个量子比特的约化密度矩阵。如果对这四个比特的两端的两个量子比特进行局域操作与测量之后,所得到了中间两体密度矩阵是纠缠的,那么就意味着原来的图态是不会从这二者之间分开的。当遍历所有的可能,排除掉所有的可分态情况之后,我们就可以证明所制备的图态是具有多体量子纠缠的。这个办法是多体量子纠缠存在的充分条件,所需要的测量数目只是跟多体量子纠缠态的量子比特数成线性增长,因此是很高效的。


确定了更高效的测量办法后,王远皓的进展更是神速,在短短的两三个星期里面,他证明了8、10和12量子比特的多体纠缠。实际上当12比特的纠缠态被验证之后,我们已经确立了超导量子电路系统中多体量子纠缠态的新的记录。在这之前的记录是10个超导量子比特:他们用的办法是通过超导腔诱导出比特之间的集体相互作用,一步制备出多体GHZ纠缠态。我们的办法是基于通用量子逻辑门电路的,具备更大的普适性,且由于逻辑门的误差会累积,因此制备大数目的量子纠缠态是不容易的事情。


此方法体现出了很好的可扩展性,我们是继续去尝试做更大的量子纠缠态,还是开始写论文呢?既然已经创造了新的记录,而且也接近学期末,王远皓要准备期末考试了,我们决定赶紧写论文。等他考完几门,论文也写得差不多了。


王远皓还是心有不甘,利用准备考试的间隙,继续在量子云上尝试制备14与16比特的量子纠缠,结果惊喜地发现,14与16比特也是可以制备到多体量子纠缠态的。到此为止,我们实现了IBM云计算服务器上所有16个量子比特的全量子纠缠,这不仅仅是超导量子计算系统中的新记录,也打破了离子阱系统所创造的14个量子比特纠缠的记录和光子平台上的10光子量子纠缠的记录。


虽然制备多体量子纠缠态只是实现量子计算的第一步,但通过量子云计算服务器,我们已经可以做出以前做不了的实验,能做出比其他系统,比如离子阱、光子等系统中量子比特数都要多的多体量子纠缠态。


IBM的量子云计算服务器IBM Q。图片来源:quantumexperience.ng.bluemix.net

 

最近,IBM又发布了20超导量子比特的云服务,公布了50比特超导量子芯片,并把16比特的服务完全公开了。在量子云计算服务器平台上,人们能够更加便捷地验证一些基础的量子信息与量子物理理论。这意味着,在这个平台上会有越来越多有意思的问题值得探索。我们期待能够做出新的有趣发现。


作者名片

排版:晓岚


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【拓展阅读】无法破译的量子密码
 
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