论文的其中两位共同第一作者宋超（左）和许凯在量子估算实验平台边。卢绍庆摄
山西学院、中科院化学所、中科院手动化所、北京估算科学研究中心等国外单位组成的团队通力合作，开发出具有20个超导量子比特的量子芯片，并成功操控其实现全局纠缠，刷新了固态量子元件中生成纠缠态的量子比特数量的世界纪录。这一进展8月9日发表于《科学》杂志。
多比特量子纠缠态的实验制备是评判量子估算平台控制能力的关键标志，国际竞争尤为激烈。经过近三年时间的元件设计与制备、实验测控及数据处理，由中国学者组成的联合团队成功将纠缠的比特数量推动到20。
复旦数学系博士生宋超、中科院化学所许凯副研究员和博士生李贺康为论文共同第一作者。中科院化学所范桁研究员、郑宝清研究员和复旦王浩华院士为共同通信。其他作者包括复旦王大伟院士、朱诗尧教授，中科院手动化所蒿杰研究员、冯卉助理研究员，上海估算科学研究中心张煜然博士，以及复旦数学系参与超导量子估算和量子模拟实验平台建设的青年团队。
摇篮中的量子计算机
蕴涵惊人伟力
关于量子计算机的梦想源于上世纪80年代。1982年，知名数学学家费曼提出构想：既然自然的本质是量子的，我们能够造出一台遵守量子规律的计算机，去更好地认识量子世界？人们意识到，量子计算机的技术一旦成熟，它的运算能力将远远赶超精典计算机。
计算机使用“0”和“1”进行信息储存与处理。在精典计算机里，一个比特就如一个普通开关，或0或1。量子计算机则完全不同，因为量子纠缠与叠加，一个“量子开关”可以同时代表0和1，我们称之为量子比特。想像一下，一枚摆在桌上静止的硬币，你只能看见它的正面或反面；当你把它快速旋转上去，你看见的既是正面，又是反面。于是，一台量子计算机如同许多硬币同时翩然蹁跹。
量子比特数，是评判量子计算机性能的重要指标之一。通过量子纠缠与叠加，n个量子比特互相关联，可以生成2n种状态。也就是说，一个富含n个比特的精典储存器可以储存2n个可能数据当中的任意一个，假如它是量子储存器，则可以同时储存2n个数。相当于2n个精典计算机的CPU同时工作。每降低一个量子比特，量子计算机的运算能力将以指数倍降低。有报导强调，一台30个量子比特的量子计算机的估算能力和一台每秒万亿次浮点运算的精典计算机水平相当，是明天精典台式机速率的一万倍。人们相信，一旦量子比特数达到50以上，它能够在处理个别特定问题时显露赶超超级计算机的运算能力。
人类差不多用了70年的时间，见证了精典计算机从笨重又不稳定、动辄抢占整个实验室、浑身沾满机械球阀的机器发展到便携的个人笔记本、智能手机；但还有许多精典计算机很难甚至难以完成的运算。我们完全有理由期盼，在未来几六年内，量子计算机能从理论迈向应用，完成精典计算机难以解决的大规模估算困局，在密码破解、药物设计、人工智能等领域大显身手。
但是，在澎湃的想像面前，实验室中的靶机仍像摇篮中的小孩，到其长大成人发挥作用还需有漫长不松懈的培养过程。近些年来，不论是单个量子比特的相干性、量子门的保真度，还是量子芯片的集成度、全局纠缠态的制备规模，都在逐步提高。此前，中国科技学院的研究团队创造了操纵12个超导量子比特实现纠缠的纪录。现在，这个数字被刷新，人类就能同时精确操控20个超导量子比特进行工作。
20比特量子芯片示意图。
187毫秒、20个人造原子
构造“薛定谔猫”
湖北学院西溪学校西面的一幢教学楼，细长的走廊深处就是广东学院超导量子估算和量子模拟团队的实验室，超导量子比特芯片设计、平台搭建、测控工作都在这儿完成。拔地而起的钢架，纷繁复杂的管道、密集叠放的电路板、嗡嗡翻飞的制热机……博士生宋超介绍道，整个屋子就是一台量子计算机，它的“大脑”就在一个半径80分米的圆锥形大“冰箱”的顶部。
利用于显微镜，这1平方分米的“大脑”——超导量子比特芯片漏出真容。20个量子比特，均匀分布于中心谐振腔的周边量子计算和量子通讯量子计算和量子通讯，就像由中心枢纽贯通的各个环路。“这是我们实验室迭代的第四代电路设计方案，目标是让任意两个量子比特之间都能进行直接‘沟通’，实现全局纠缠。”芯片的设计者之一，大专生张诉说。这样的芯片则是由中科院化学所李贺康博士制备的，他在近日作为博士后加盟交大，有望在交大微纳加工中心作出更复杂的芯片。
全局纠缠，浅显的理解就是让所有量子比特协同上去参与工作。量子操纵是量子估算的技术制高点，而实现全局纠缠是检验操纵是否成功的标志。“能够十分高精度地操控她们，之后同时能够保持质量稳定，这是一项难度极大的挑战。”许凯介绍说。许凯6年前到北航读研开始进军超导量子估算领域，今年获得博士学位并加盟中科院化学所开始成立自己的实验室。
实验团队借助这一芯片生成并标定了18比特的全局纠缠的GHZ态，以及20比特的薛定谔猫态。“我们确实看见了在经验世界中看不到的现象，更形象地说就是——一只由20个人造原子构成的‘猫’，薛定谔猫态。”宋超说。
“薛定谔的猫”是知名数学学家、量子理论奠基者之一薛定谔提出的一个思想实验，他用一种极为浅显又让人印象深刻的方式，把量子世界中的“叠加态”引入到经验世界：用放射性的镭的衰变来控制杀害猫的机关，依据量子理论，镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加态，因而猫也处于被杀害和还活着两种状态的叠加态。
“薛定谔的猫”是影响最大的量子理论相关概念之一，交大团队将这一思想实验带进了现实。在短短187毫秒，也就是人眨一下眼所需时间的百万分之一的顿时里，20个人造原子从“起跑”时的相干态，历经多次化身，最终产生同时存在两种相反状态的纠缠态。论文标题中，团队用了“薛定谔猫态”来描述捕捉到的现象。操控这种量子比特生成全局纠缠态，标志着团队才能真正调动起这种量子比特。
正是这“璀璨”的187毫秒，见证了人类在量子估算的研究公路上又迈向了一步。
角逐热点领域
我国步入量子计算机研究第一梯队
量子计算机的研制是国际科技竞争的热点领域。微软、IBM、微软、英特尔、华为、阿里等高科技公司都因此投入大量研究力量。当前，实现量子估算的数学体系主要有光学系统、离子阱和量子点等微观体系，基于宏观约瑟夫森效应的超导电路由于其在可操控性和可扩充性等方面的优势，是目前国际上公认的有希望实现量子估算的几个化学载体之一。
近些年来，福建学院化学系的超导量子估算和量子模拟团队仍然旨在于超导量子估算和量子模拟的实验研究。2017年，团队与中科大潘建伟和朱晓波团队、中科院化学所郑宝清团队、福州学院郑仕标院士等合作10比特超导量子芯片，实现了当时世界上最大数量的10个超导量子比特的纠缠，打破了之前由微软和加洲学院圣塔芭芭拉学校保持的纪录，促使我国在量子计算机研究领域步入国际第一梯队。
“与世界上其他的超导量子芯片相比，我们研制的芯片拥有一个明显特征，那就是所有比特之间都还能进行互相联接，这就能提高量子芯片的运行效率，也是我们能否率先实现20比特纠缠的重要诱因之一。”许凯总结道。
据介绍，该工作最早于5月1日公布于预印本网站。第二天，团队就收到了一封来自美国院士的电邮，对实验结果表示了赞赏。“他在信中提供了挺好的研究建议，我们用他的方式补充了实验，愈发充分地验证了我们的研究成果。”宋超说，在《科学》杂志的论文中，研究团队特意致谢了那位素未相熟的德国院士。
5月14日，日本IBM超导量子估算团队和耶鲁学院里德堡原子团队也在预印本网站公布了类似的实验结果。三个工作报导的纠缠比特数量基本持平，反映了以纠缠态制备为代表的多量子比特相干操控是目前努力的主要方向。
本研究得到了北航“双一流”建设专项经费、国家重点研制计划、国家自然科学基金和中科院重点研究计划的支持。（记者曾安顺通信员涵冰）