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                          最近在中關村論壇上,北京量子信息科學研究院長壽命超導量子比特芯片的最新成果已經發布,并已成功制造超導性量子比特的退相干時間達到503微秒,創造了新的世界紀錄。有趣的是,由于這項成就的標題是“長壽”,一些公眾人士帶著極大的興趣站出來,認為它可以通過量子技術可以延長壽命。比特的“壽命”是量子退相干時間。如何保持量子相干是量子計算機發展的關鍵問題之一,國際競爭日趨激烈。本文用通俗的語言介紹了超導量子的比特以及與“壽命”有關的問題。我們應該明白,量子計算的基礎研究和工程還有很長的路要走。

                          作者|無辜

                          最近,在2021屆中關村論壇上發表了一項成就,稱為“長壽命超導量子比特芯片”。這一成就使超導量子比特的壽命提高到500歲微秒以上已成為世界同行認可的最高紀錄。(當數據發布在arXiv上時,國際商用機器公司量子計算主管Gambetta也在那里啁啾一張圖片顯示它們的量子壽命已經超過了1毫秒。鑒于IBM及其量子計算團隊的信譽,這些數據應該是真實的,但此后他們沒有發布任何細節或更多數據。因此,推特不僅可以治理國家。)


                          圖1在2021中關村論壇上,長壽命超導量子芯片比特被釋放作為主要成就之一。


                          在論壇上介紹了結果科技博覽會在展覽期間,它吸引了很多媒體和公眾的關注。在這期間,我們發現了一件非常有趣的事情。許多老人站出來問:這項成就真的能延年益壽嗎?這個問題真的很難回答。我不能忍受讓這些充滿希望的老人失望,但我真的不能誤導他們!鑒于許多人關注“長壽”,我認為有必要解釋量子比特的生命和人的生命其實是兩件不同的事情。對人們來說,活得更長、錯過世界之美可能是一種普遍的心態。事實上,許多科學家正在努力克服這些困難,但這并不是我們量子技術人員能夠解決的問題。請移到與生物、醫學和健康相關的展區,也許他們能給出更滿意的答案。當然,順便提一下,我想提醒那些渴望長壽的老人們,要以科學的態度審視科學,不要被動機不純的奸商所利用,也不要被偽科學所愚弄。

                          超導量子比特:建立在宏觀基礎上量子態比特

                          我在這里《返樸》最后一篇文章《當量子計算遇上超導:一場美麗的邂逅》在年,我們談到了利用超導設備建造量子比特的奇跡。建立一個強大的量子計算機,這注定是一次史詩般的科技冒險。這將是人類偉大探索精神最美麗的注腳之一。二十年后,當人們回顧這一過程時,他們可能會嘆息或激動。無論如何,作為證人,他們的內心一定有不同的品味。也許等我退休的時候(如果那天我能活下來),我會寫回憶錄。這應該很有趣。

                          在這次探險中,有幾支隊伍已經沖向前方,有些隊伍已經準備好出發。無論哪支團隊能夠登上頂峰并贏得圣杯,超導量子計算在當前的發展形勢和最新趨勢方面無疑處于最前沿。作為一種固態量子器件,它最大的特點是可以設計(我還沒有找到一個特別合適的詞來表達“工程”的確切含義,F在讓我們使用設計)、容易耦合。

                          這兩個特性與自然原子或其他自然粒子相反。具有原子例如,它的內部結構是固定的,幾乎不可能人工“塑造”它們,因此它們通常非常穩定。除了那些放射性元素,大多數原子幾乎是永恒的。存在于我們體內的原子可能存在于一億年前的恐龍體內。這些特性使自然原子具有很長的“壽命”,但相比之下,它們很難理解耦合。如果我們從原子的角度看世界,就像我們從地球上看浩瀚的宇宙一樣——一個懸在那里的星球,孤獨而美麗。偶爾,天空之外的一些東西會出現,但也會瞬間變成流星,消失得無影無蹤。對于這樣一個穩定的量子系統,你會發現它看起來很漂亮,但你對此無能為力(難以操縱和測量)!這確實是我們在面對自然原子時所面臨的困境,直到21世紀腔量子電動力學(腔QED)兩位科學家最終找到了操縱和測量單個原子量子態的方法謝爾蓋·哈羅什大衛·J·懷恩蘭他們分享了2012年諾貝爾物理獎,以表彰他們!突破性的實驗方法使測量和操作單個量子系統成為可能!

                          超導量子比特恰恰相反。它是通過重新約束超導“宏觀量子態”而形成的超精細能級。停留《當量子計算遇上超導:一場美麗的邂逅》我在書中對此做了一些敘述。在這里,我可以補充一點,說得更生動。

                          在微觀世界中,一個或幾個原子、電子等自然處于量子狀態,并受多年的靜態影響量子力學以…為主。讓我們將原子與人進行比較,觀察單個原子,就像觀察玻璃罩中的人一樣。此時,我們發現這個人實際上是“量子”。然而,當大量這樣的粒子聚集在一起,同時存在一定的相互作用時,量子性質將迅速消失并進入“宏觀世界”,行為將變得經典。正如我們站在高高的平臺上,觀看廣場上的人群一樣,我們很難區分或跟蹤某人的具體行為和蹤跡。我們所看到和感受到的只能是一些整體行為,比如人群聚集和流動的地方。我們每天看到的物體中的原子數是10^23級,想象一下,當我們看到數十億人的集體時,我們會看到什么?平心而論,我們不可能分辨出此時有人在做什么。


                          圖2尋找維尼?在一個擁有多個自由度的群體中(廣場上的每個人都可以被視為“自由度”),我們不再關注個人行為,而只能看到集體行為。

                          但是如果我們把所有的人都訓練成一支軍隊,情況就不同了。國慶閱兵時,一個方陣經過天安門,所有士兵的行動和叫喊都是統一的。此時,群體的集體行為與任何“個人”的行為是一致的。如果個人行為是“量子的”,那么可以想象這支軍隊的行為是量子的。宏觀量子態就是這樣一支軍隊。目前,我們人類已經發現了幾個這樣的“宏觀量子態”,包括百色愛因斯坦冷凝物BEC,超導態。毛主席說得好,團結就是力量。在這個整潔統一的“量子軍隊”中,各種各樣的量子效應它會被放大,就像“為人民服務!”游行隊伍高呼,這是無價之寶。這就解釋了為什么比特,一個基于宏觀量子態的超導量子,很容易耦合(互動)——盡管與任何單個粒子的耦合非常弱,但從具有相同行為的大量粒子的集體觀點來看,耦合將變得非常強。


                          圖3閱兵場上的情況不同:所有士兵都很整潔,都是同一個人。在這一體系中,“集體自由”與“個人自由”在一定程度上是一致的。

                          量子比特的“生命”:他們有自己的“時鐘”

                          一切都是辯證統一,量子態無法判斷外部相互作用是來自我們的人為操縱還是其他無法解釋的來源。因此,集團軍模式的宏觀量子態確實可以加強與外部世界的相互作用,使操作、耦合和讀出更容易,但也更容易受到外部干擾。

                          從物理上講,我們稱這些不可控和不可知的自由度為噪音。在固體中,量子態所面臨的環境要比單個原子中量子態所面臨的環境復雜得多。原子和電子的隨機運動,空間中的各種電磁波,甚至宇宙射線,將與我們精心準備的量子態相互作用,從而“竊取”信息并迅速消失在茫茫人海中。由于計算本質上是一個信息處理過程,因此信息丟失自然與計算錯誤相對應。

                          現在,我們終于把主題帶回“生活”。用通俗的話來說,上面提到的信息丟失相當于這個量子態的死亡,所以我們稱量子比特防止信息丟失的時間為“生命”。由于量子過程的噪聲和內在隨機性,這種所謂的“壽命”實際上是一個統計特征時間,在物理上稱為“退相干時間”(消相干時間)”。原則上,量子計算的所有操作動作都應該在比這個時間短得多的時間內完成,以避免錯誤。這是建造量子計算機的“divincenzo標準”之一(見《當量子計算遇上超導:一場美麗的邂逅》)。

                          與其他量子比特相比,超導量子比特的壽命非常短(原因已在前面提到)。當前的典型值約為10-100微秒。這個時間比我們眨眼的時間要短得多。如果我們使用人類的生物鐘,這個生命幾乎不值得一提。但是我們應該從量子比特的角度來看待它,不是嗎?


                          圖4《星際穿越》在里面飛艇當接近黑洞時,時鐘變得非常慢:宇宙飛船上一個小時,地球上七年過去了!同時,不同的“滴答聲”,體驗差異是巨大的。

                          對于超導量子比特來說,量子門操作的時間約為10-100納秒。因此,我們可以把這個門操作的時間看作量子比特的“滴答聲”(勾選tock)。如果量子比特的壽命是100微秒,它的一個“滴答聲”是50納秒,那么它將在2000個“滴答聲”之后“驅動起重機向西”,這就是這個比特可以執行的操作的限制。如果量子比特的“滴答”相當于我們的“滴答”,量子比特可以活半個小時!

                          通過材料和微納加工技術的創新,北京量子信息科學研究所將這種“壽命”延長到503微秒。例如,它可以活近三個小時。如果你只有半個小時的生命,恐怕許幾下輩子的愿望就足夠了,但如果你有三個小時,你甚至有時間回家為家人做飯,一起享受美食。它不香嗎?

                          可以看出,量子比特的壽命不能僅僅用絕對時間來衡量。如前所述,實際有效壽命需要結合“滴答聲”的長度來衡量。以另一種量子比特——核磁共振量子比特為例,其退相干時間一般為1秒左右,而一次門操作的時間為1-10毫秒。根據上述等效方法,它只相當于人類壽命的2到20分鐘——盡管它的絕對壽命是超導量子比特的數萬倍。如何縮短“滴答聲”并使量子門更快、更準確是另一個需要突破的技術挑戰,這里暫時不討論。我可以在下面幾章中把它作為一個專題來寫。請期待。

                          數量與壽命

                          由于量子比特操縱誤差主要來源于“退相干誤差”,且退相干誤差與壽命成指數關系,因此延長壽命無疑對提高操縱精度有很大幫助。壽命一直是超導量子比特的短板。當第一個超導量子點比特被制造出來時,它的壽命不到3年納秒(這仍然是估計的,沒有準確測量)。因此,在超導量子計算研究的早期和中期,如何提高量子比特的壽命是一個核心主題,甚至評價一個量子比特的形式(超導量子比特也有多種形式)前景的主要指標。如今,主流超導量子比特的壽命已達到100微秒量級,比誕生之初增加了5個數量級,其發展速度與摩爾定律相當!凱文·凱利凱文·凱利在他的經典作品中《失控》技術發展的規律已在本文中描述。與摩爾定律相似的指數發展規律在許多領域都出現在一定階段,指數摩爾定律的發展也是技術發展最具活力的標志。


                          圖5比特超導量子壽命發展的“摩爾定律”

                          量子自相變比特(全稱為“傳輸線旁路等離子體振蕩量子比特”,更適合transmon)和電路量子電動力學(電路QED)超導量子計算經過發展,其發展重點逐漸向大規模轉移。人們越來越期待比特人數增加帶來的奇跡,,谷歌量子霸權(量子超能力,現在人們不喜歡這個詞,更喜歡使用“量子優勢”)這一趨勢的表現將這一趨勢推向了高潮。比特數量的增加帶來的工程挑戰自然讓許多研究人員充滿熱情,但行業遲早會反思:目前量子比特的生命真的足夠嗎?如果你創造了很多吵鬧的比特,能更真的成為奇跡嗎?我相信那些真正熟悉并希望制造實用量子計算機的人會在心中找到答案。我的答案是:如果我們不不斷提高量子比特基本單元的性能,包括門操作的壽命和保真度(扣除錯誤率后的精度就是保真度),大規模超導量子計算的道路就不遠了。如果材料生長、表面界面處理、微納加工等基礎科學技術的突破,可能會帶來大規模的質的飛躍。但這是一條艱難的道路。

                          量子糾錯-“間諜海上戰術”

                          還有一種方法可以降低錯誤率,提高比特的生活和操作保真度。我以前在家《返樸》AdrianCho的文章推薦給讀者《量子計算的下一個超級大挑戰》,詳細描述了這種量子糾錯方法。量子糾錯的主要思想是將量子態編碼到一個更大的空間,以提高量子態的抗噪聲能力。例如,我們最初將信息交給一名情報人員保管。間諜活動是危險的。周圍有各種各樣的黑客。他們會不斷攻擊我們的情報人員,竊取或破壞他手中的信息。即使是最頂尖的情報人員也只能保護手中的情報幾個小時,而糟糕的幾分鐘被偷走了。這個問題很麻煩。如果我們繼續這樣下去,我們就不能做情報工作!最后,情報局想出了一個新方法:他派出更多的情報人員。每個人手里都拿著一份資料。他們會定期檢查手中的信息,一旦一人或多人的信息出錯,他們會盡快糾正。這樣,只要我派出足夠多的情報人員,他們檢查信息的速度足夠快,無論黑客如何攻擊,他們都可以保持信息的完整性。到目前為止,信息丟失的問題已經得到了完美的解決。這個比喻可能不太合適,因為它不考慮黑客在拿走情報后會做些什么壞事。也許這些黑客只是一群邪惡的利益集團,以破壞為榮。

                          早期提出的量子糾錯算法更像是一個數學玩具,因為它們對每個情報官員的素質要求太高,這是目前連我們的頂級特工都做不到的。直到Kitaev提出拓撲編碼方法,經過改進才演變為所謂的“曲面編碼”。這種糾錯代碼大大降低了對情報人員質量的要求,我們目前的技術也可以實現。代價是我們需要更多的特工,這可以稱為“間諜海戰術”:根據現有技術水平的估計,需要3000多名這樣的情報特工來構建一個“永恒的量子波”!幸運的是,我們至少看到了希望。


                          圖6。表面編碼:目前最實用的量子糾錯碼。圖(a)中的空心點為數據比特,實心(黑色)點為糾錯比特。將信息以某種形式編碼到數據比特中,然后將數據比特與糾錯比特[以(b)和(c)的形式]糾纏,并測量糾錯比特。您可以在不破壞數據比特信息的情況下跟蹤他們是否有錯誤,并不斷重復此過程,從而不斷更正錯誤。

                          雖然表面編碼對物理比特性能的要求已經大大降低,但仍然充滿挑戰。到目前為止,沒有一個團隊在最簡單的“surface-17”(包括9個數據比特和8個糾錯比特)編碼結構中實現了真正的糾錯,即突破了錯誤率的盈虧平衡點未來要想在這一領域取得突破,還有賴于比特身體素質的提高,而最關鍵的指標之一就是靜物力。這是一條更困難的道路。

                          到目前為止,中國在單個超導量子壽命方面的突破意義不言而喻。但這遠非探險的終點,甚至連終點都沒有,這是不值得自滿的。如何將這些技術擴展到包含更多量子比特的芯片,以及如何進一步提高量子門控制的保真度將是下一個更重要的挑戰。

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