新智元报道

泉源:Science

编辑:LQ

【新智元导读】继「九章」量子盘算原型机后,克日,潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队,乐成研制了62比特可编程超导量子盘算原型机「祖冲之号」,并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。相关研究功效已在Science上揭晓。

中国科学手艺大学潘建伟、朱晓波、彭承志团队最近在Science揭晓了新论文Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor.

量子行走(QW)

量子行走(Quantum walk,QW)是经典随机行走在量子力学中的拓展,区别于经典随机行走,由于量子具有叠加态的特征,粒子在格点中行走的特征需要用量子力学的波函数统计纪律来诠释。

量子行走自己可以模拟多体物理系统的量子行为,理论上最终可用于通用量子盘算。

该论文使用一个8*8的二维超导量子比特方格,其中包罗62个功效量子比特,以显示多个(两个)量子行走若何穿越二维量子比特阵列,并在历程中举行滋扰。

作者还能够对量子所遵照的路径举行编程,展示了一个马赫-曾德尔(MZ)过问仪,其中单个或多个量子行走者在过问和退出一个端口之前连贯地穿越两条路径。

效果展示了基于超导的量子处置器在模拟大规模量子系统方面的潜力。

由于QW厚实的潜在应用,研究职员已经在种种硬件平台上举行了大量的原理验证实验演示,局限从光子学、捕捉离子和中性原子到核磁共振和超导量子比特。

众所周知,基于QW的量子搜索算法至少需要二维设置。此外,随便数目量子的简朴电路可编程性是编码应用程序的基本要求,其中的设置可以在步行的基础上改变,包罗隧穿振幅和图形结构的可调治性。

实验证实,同时实现这两个目的具有挑战性。超导电路提供了通用量子盘算所必须的非线性相互作用哈密顿量,使它们成为领先的量子盘算机方式之一。

随着实时可编程性的提高,它们已经成为实现完全可设置的二维QW的优异候选系统。

在与这篇论文相关的事情中,研究职员先设计一其中等规模的二维超导量子比特阵列。很快,就泛起了与平面布线相关的问题,以及随着二维数组巨细的增添,若何实现对所有量子位的控制。

一种解决方案是使用「flip chip」或「through-silicon vias(TSV)」等手艺举行三维布线。

在这项事情中,研究职员提供了一种基于「pass-through holes」的替换手艺方案。这适用于一个8 × 8量子位阵列(Fig. 1A),该阵列由16个单元组成,其电路图如Fig. 1B所示。两个量子比特,U03Q2和 U22Q1(Fig. 1C) ,以及一个耦合谐振器(在 U10Q0和 U10Q3之间)是非功效的。

△ 超导量子处置器的结构与结构

用Bose-Hubbard模子示意示意量子比特系统的有用哈密顿量,即

为了实现延续时间 QWs (continuous-time QWs,CTQWs) ,研究职员将所有量子比特调整到相同的相互作用频率以实现与时间无关的演化,有用演化哈密顿量由以下公式组成过问网络

通过将量子比特设置在5.02 GHz 的相互作用频率,丈量两量子比特交流振荡,确定了有用耦合强度,并确立了

研究职员最先使用一个和两个QW在 U00Q0和 U33Q2上引发一个或两个量子位来探索CTQW。一旦最初的状态准备好,研究职员就会调整所有的量子比特到相互作用的频率,并允许系统在一段时间内在 Eq 下自然演化。

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然后,再丈量所有62个量子比特的群体在它们的σz基中,演化时间从0到600 ns 不等。对于每个时间点,我们举行了50000次单次丈量。

在Fig. 2A 中,研究职员给出了双步QW的实验效果,并与数值模拟的效果举行了对照(Fig. 2B)。

弥补质料还展示了单步QW的效果和62量子位演化的保真度作为时间的函数。高保真演化注释了系统的高精度角色塑造和高精度控制。

对于QW,本研究也试图确定量子行走在网络中的流传速率,与 Lieb-Robinson (LR)约束相比。为了到达这个目的,为了简朴起见,我们使用了由界说的两点相关函数(量子场论)。

如 Fig. 2D所示,研究确定流传速率为22.2 ± 2.0 site/μs。给出了2D 系统的最大群速率,相当于该研究系统的 vmax = 35.7site/μs。

现在,v

CTQW 演示为实现可编程QW奠基了坚实的基础。此外,这项研究能够正确地改变每个量子比特的频率,这样才气够为QW界说流传路径。这对于基于量子波长的量子盘算是至关主要的,由于需要处置具有差异结构的图问题。

如Fig. 3A所示,研究职员在62量子位超导处置器中界说了两条交织路径来演示一个马赫-曾德尔过问仪,其中路径中的量子位被调谐到5.02 GHz 的相互作用频率,而未涉及的量子位被偏置到4.97 GHz。

△ Fig. 3

在引发站点 s 之后,Walker将流传到 BS1,在那里它被盘据并沿着两条空间星散的路径(L1到 L10)和(R1到 R10)传输。这些路径在 BS2处重新毗邻,Walker从那里到达 d 站点。所有地址种群的时间演化丈量从时间(t) = 0到1000 ns。

Figure 3B清晰地显示了单个Walker同时通过{ l }和{ r }路径。在 t = 650ns 时,考察到QW的重新聚焦,总量高达0.43。实验发现与数值模拟相比有很好的一致性。

该研究在调整量子比特频率方面的天真性提供了另一种自由,可以行使与路径上的相位相关的自由,这是随着杂乱的转变而实现的。

对于{ r }路径元素,研究职员将位点 R1到 R5的无序度划分从 dR 调整到5dR,而对于位点 R6到 R10,研究职员做了相反的调整,在{ l }路径中,研究职员做了类似的无序度转变(缩放度为 dL)。

通过控制无序巨细,研究职员丈量了在 t = 650ns 的位置 d 上的布居数,并考察到了过问条纹(Fig. 3C)。为了确定这些条纹的起源,研究职员阻断了 R1和 R10上{ r }的路径(Fig. 3E),没有发现过问条纹 (Fig. 3F)。

这些效果注释,无序不仅改变了相邻位点之间的隧穿振幅,而且使QW在传输历程中积累了差其余相位,从而发生了过问条纹。此外,为了使滋扰发生,Walker必须保持一致性,由于它穿越了一个差其余空间星散的路径叠加。这些非局域关联的发生对于基于量子波的通用量子盘算的生长至关主要。

接下来泛起的问题是,当我们的马赫-曾德尔过问仪中有多个Walker时会发生什么。然后,研究职员在 L1和 R1站点 (Fig. 4A) 确立了两个Walker,通过激励这些各自的量子位,然后让系统进化。

研究职员在 t = 550ns 后丈量了位点 d 上的粒子数,并考察到了Fig. 4B中的过问条纹。这与在单个Walker案例中考察到的模式相似。为了确定双Walker情形下这种过问条纹的泉源,研究职员举行了一系列的对照实验,首先是移除 BS1和 s 位点(Fig. 4C),这些位点阻止了双Walker的反向流传,使它们选择另一条路径。

如Fig. 4D所示,不再考察到过问条纹。这注释该图案泉源于单粒子前向流传和反向流传之间的过问。接下来,研究职员划分在 L1位置或 R1位置(Fig. 4, E and G)确立一个单Walker,并让它穿过过问仪。效果都清晰地显示了过问条纹(Fig. 4, F and H)。然而,它们中的任何一个或它们的和都差异于在Fig. 4B中所考察到的。

这进一步强化了考察,即现在在马赫-曾德尔过问仪中的两个行波器一定是相互作用的。这些效果与研究职员在硬核玻色子极限中对 tran *** on量子位物理的明晰是一致的。

助力实现量子霸权

本研究在二维QW的乐成演示和马赫-曾德尔过问仪的响应实现清晰地注释了这些超导量子比特处置器的潜力。超导QW不仅可以控制量子比特的频率,而且可以控制相邻位点之间的隧穿振幅和相位,是研究光子系统中难以实现的硬核玻色子过问的一种很好的方式。

此外,随着引发数和处置器体积的增添,多Walker实现将使我们进入量子霸权领域。

最后,在超导量子处置器中可编程QW的演示是一个手艺上的里程碑,为更庞大的量子多体模拟提供了坚实的基础,未来可以进一步应用于量子搜索算法,甚至是通用量子盘算。

参考资料:

https://science.sciencemag.org/content/372/6545/948

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