超导量子芯片解读“庄周蝴蝶梦”
■本报记者 韩杨梅
量子计算的前景令人兴奋。 在基础科学研究、新材料与药物研发、类脑人工智能技术开发等方面具有潜在的应用价值。
中国科学院物理研究所固态量子信息与计算实验室研究员范恒、副研究员许凯与中科院量子计算研究中心郑东宁研究员合作中科院物理所与副总工程师项忠成研制的一维40位一维超导量子芯片，以战国时期思想家、哲学家庄子的名字命名，已成功用于模拟“霍夫施塔特蝴蝶”能谱和各种新颖的拓扑零模式。 相关研究成果近日发表在 上。
“庄子”芯片的诞生
从科学家的角度来看，大规模量子计算正在向实用化方向发展。 要实现实用化，需要精确的操作、大量的比特、长的相干时间和足够高的效率。 在这个过程中，量子芯片的设计、制备、测量和控制都至关重要。
项忠成长期从事超导量子芯片的制备工作。 他告诉中国科学报，与传统芯片相比，量子芯片对外部环境的干扰非常敏感。
“量子芯片是一个非常脆弱的系统，稳定时间非常短。在芯片上运行量子算法就像在夏天堆雪人。你需要足够快，才能在雪融化之前堆起雪人。通常超导的相干时间量子芯片的周期时间为数十微秒量级，这意味着量子效应仅持续片刻，很难在短相干时间尺度内准确执行量子算法。”向忠成解释道。 。
借助北京怀柔中科院物理研究所综合极端条件实验室超导量子计算实验平台，郑东宁和向忠成在器件设计和制备实践中反复探索和思考，不断改进和优化器件设计方法和制备工艺。 完成了43位一维超导量子芯片的设计与制备。 芯片内整体比特参数与设计值一致，整体退相干时间、制备良率、量子态可读性均得到大幅提升。 一些比特的退相干时间达到数百微秒的量级。
在最新发表的研究中，他们设计并构建了多达41个量子位的对角AAH模型的各种实例，并应用动态光谱技术对著名的“霍夫施塔特蝴蝶”能谱进行了实验测量。 由于对角AAH模型的拓扑特征，出现了“翼状”能隙，整个能谱看起来就像一只翩翩起舞的蝴蝶。 研究人员不禁想起庄周梦见蝴蝶的故事，这也是量子处理器名字的由来。
由于“庄子”处理器拥有足够的量子比特，有限尺寸效应的影响被极大抑制，“蝴蝶”体细节中的分形结构和能带分裂都清晰地显示出来。
-200摄氏度下的实验
量子芯片是第一步，利用多个超导量子比特来模拟各种量子效应也是目前人们关注的前沿研究。
量子芯片只有指甲盖大小。 收到芯片后，许凯和团队成员立即开始对芯片进行测控和量子模拟实验。
徐凯告诉中国科学报：“量子模拟就是通过控制量子芯片，建立一些重要的多体模型，模拟计算真实物质或材料系统的各种新颖的物理性质，以解决能源、材料等一系列问题。该领域的重要问题。”
超导量子计算芯片需要在极低的温度环境下工作，以避免热量（噪声）干扰量子态。
研究人员将芯片包装进盒子里，放入稀释冰箱中冷却至10mK。 冰箱的温度仅比绝对零度（负273.15℃）高0.01℃。 这种极低的温度可以使芯片转变成无损状态。 超导态有效抑制了芯片周围的环境噪声和热噪声，从而呈现量子效应，使研究人员能够更好地控制量子效应。
操纵芯片的过程并不容易。 在实验室里，几十台仪器的微波脉冲信号连接到“芯片”上。 研究人员在他们开发的软件平台上编写程序来控制仪器，并向芯片发出“命令”以“控制”芯片。 “命令”发出的时间达到了纳秒级。
“我们需要非常仔细地优化每个量子位的控制参数以及它们之间的相互作用。这个过程需要两个月的准备。” 徐凯表示，通过让程序实现自动参数搜索和自动控制，未来的研究将更加高效。
由于“庄子”量子处理器拥有超过40个量子比特，这足以让研究人员捕捉到这个重要的一维量子多体系统的复杂能带结构中的大量拓扑特征。 研究人员利用超导量子处理器辅以高度可控（周期驱动）调节技术，提出了一种通用的混合量子模拟方法，以探索嘈杂的中尺度量子时代的量子拓扑系统。
广阔的前景需要人才
许开和向忠成及其团队长期致力于超导量子计算、量子模拟、量子器件制备等方面的实验研究，取得了多项领先成果。 在他们看来，量子计算前景广阔，未来还有很长的路要走。
“虽然目前量子芯片只能完成一些特定的任务，尚未取得超越经典计算的量子优势，但通过量子模拟实验，可以积累各种控制技术，探索和论证量子计算的各种应用场景，这是非常有价值的。” “对未来很重要。量子计算机的实现和应用非常有价值。”徐凯说。
在许凯看来，我国在量子计算方面与世界上最好的团队还有一定的差距。 量子计算是一门交叉学科，需要各方面的人才，他们期待新鲜血液加入量子团队。
“虽然我们需要建立一个全面的生态，但我们也必须尊重科学发展的自然规律生活网报道，在加快实验步伐的同时不能操之过急。” 许凯说道。
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