您現在的位置:首頁 > 本系動態

浙大物理系與中科大等多個研究團隊合作在超導量子計算和量子模擬領域取得了多個重要進展

編輯:phymaxc 時間:2017年05月05日 訪問次數:6127

      1981年著名物理學家費曼首先提出了有關量子計算的設想,這一想法在此后的30多年中在理論和實驗上都取得了飛速發展。理論研究表明,基于量子疊加原理的量子計算機針對特定問題可能展現出經典計算機無法比擬的優勢。實驗上實現量子計算的物理體系有很多,相較于光學系統、離子阱和量子點等微觀體系,基于宏觀約瑟夫森效應的超導電路由于其在可操控性和可擴展性等方面的優勢,是目前國際上公認的有希望實現量子計算的幾個物理載體之一。近五年來,浙江大學物理系王浩華課題組一直致力于超導量子計算和量子模擬的實驗研究,近期與國內兄弟單位合作在該領域取了多個突破性進展。
      量子加速的能力源于量子力學的基本特性如量子疊加和量子糾纏等。量子系統通常由數量很多的粒子組成,其狀態用希爾伯特空間中的態矢量描述。隨著粒子數的增多,描述該系統的希爾伯特空間的維度呈指數增加,用經典計算機模擬該系統的演化幾乎是一個不可能完成的任務。而對于量子計算機,其基本單元是量子比特,由于量子態的疊加性,一個由  N  個量子比特組成的量子計算機可以同時處于2^N種狀態,并能夠同時對這2^N種狀態進行并行操作,其效果相當于經典計算機重復實施2^N次操作或一次操作中同時運行2^N個處理器。因此采用合適的量子算法,利用量子疊加和量子糾纏等特性的量子計算機可以展現出遠強于經典計算機的計算能力。
      量子糾纏在量子糾錯、量子模擬和量子非局域性的研究中也扮演著極其重要的角色。制備高保真度的多比特量子糾纏態對量子器件的相干性和量子比特的精確調控能力有著極高的要求,是量子計算領域的一個難點。王浩華課題組與中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、陸朝陽課題組,福州大學鄭仕標課題組以及中科院物理所鄭東寧課題組等合作,聯合研發了十比特超導量子芯片,通過高精度脈沖控制和全局糾纏方案,成功實現了目前世界上最大數目的超導量子比特的多體糾纏,并通過層析測量方法完整地刻畫了十比特量子態。該工作文章已于近期在論文預印網站在線(),引起了國內外的廣泛關注。英國物理學會Physics World 雜志也對該工作進行了專題報道()。

      進一步,研究團隊利用超導量子電路演示了求解線性方程組的量子算法。在亚洲阿v 欧美阿v與工程應用中,求解線性方程組是一個非常普遍且關鍵的問題。2009年,三位學者Harrow,Hassidim和Lloyd提出了針對求解線性方程組的量子算法(HHL算法),相比于經典算法,其在特定情況下具有指數加速效應。王浩華課題組與中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、陸朝陽課題組和中科院物理所鄭東寧課題組等合作,在一塊集成了四個比特的超導量子電路芯片上演示了求解線性方程組的HHL算法。該算法序列使用了近20個量子門的操控,整體保真度超過80%,展現了可集成固態系統用于快速求解線性方程組的潛力,相關成果即將發表在國際權威期刊 Physical Review Letters上(論文預印網站鏈接)。
 

      量子計算機還可用于研究凝聚態物理中的諸多基本問題,例如模擬任意子的分數統計行為。1997年,俄國物理學家Alexei Kitaev提出了Kitaev模型,該模型可以產生局域的拓撲型激發(稱之為任意子)。量子信息非局域地編碼在系統的波函數中,可以通過移動任意子來實現量子態的演變,從而完成量子計算。王浩華課題組與中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽課題組合作,利用一塊由超導諧振腔耦合四個量子比特的超導芯片,用微波信號調控使任意子相互環繞一周,在國際上首次實現用固態系統模擬有任意子激發的Kitaev模型,證明了非平凡的量子態演變。這一研究成果展示了拓撲編織操作在固態器件中實現的可能性。相關成果作為編輯推薦(Editors' Suggestion)發表在國際權威期刊 Physical Review Letters上()。
      系列工作得到了國家自然科學基金委、科技部、教育部2011計劃以及中央高校基本科研業務費專項資金等的資助。