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超导量子比特寿命突破500微秒——虽为人间一刹,却是意义非凡

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发表于 2021-10-9 22:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
超导量子比特寿命突破500微秒——虽为人间一刹,却是意义非凡

近日,在中关村论坛上北京量子信息科学研究院发布了最新成果长寿命超导量子比特芯片,成功使超导量子比特退相干时间达到503微秒,创造了新的世界纪录。有趣的是,因为该成果标题中写着“长寿命”,一些公众饶有兴趣地上前询问,以为可以通过量子技术延年益寿。量子比特的“寿命”即量子退相干时间,如何保持量子相干性是目前研制量子计算机的关键问题之一,国际竞争激烈。本文用通俗的语言介绍超导量子比特,以及与“寿命”相关的问题。我们应该了解,在量子计算基础研究和工程化方面,仍有很长的路要走。

撰文 | 无邪

近日,2021中关村论坛上发布了一项成果,其名曰“长寿命超导量子比特芯片”。这个成果将超导量子比特的寿命提升到了500微秒以上,成为目前国际上经同行认可的最高记录。(当数据在arXiv上公开的同时,IBM的量子计算负责人Gambetta也在推特上发了一张图,显示它们的量子比特寿命已经达到了1毫秒以上。以IBM及其量子计算团队的信誉,这个数据应该是真实的,不过此后他们再也没有公布任何细节和更多的数据。由此可见,推特不仅能治国。)


图1. 2021年度中关村论坛,长寿命超导量子比特芯片作为重大成果之一发布

该成果在论坛(科博会)上展出的时候,引起了很多媒体和公众的关注。期间我们发现一个很有意思的事情,不少老年人上前来问:这个成果真的能延长寿命吗?这个问题真真是不好回答,让这些满怀希望的老人失望而归,心有不忍,但真的不能误导他们啊!有鉴于不少人将关注点放到了“长寿命”上,我觉得有必要解释一下:量子比特的寿命,和人的寿命,的确是两回事。想延年益寿,留恋人间的美好,或许是人入晚年的一个普遍心态。其实有很多科学家在努力攻克这些难关,但真的不是我们这些做量子技术的人所能解决的,还请长辈们移步生物学、医学和健康相关的展区,或许他们能给出更满意的回答。当然,也顺便要提醒一下长寿心切的长辈们,以科学之态度审视科学,切勿被动机不纯的敛财奸商所利用,被伪科学所忽悠。

超导量子比特:构建于宏观量子态之上的量子比特

我在《返朴》的上一篇文章《当量子计算遇上超导:一场美丽的邂逅》中,谈到过采用超导器件来构建量子比特的奇妙之处。建造一台强大的量子计算机,注定是一场史诗级的科技大冒险,它必将是人类伟大探索精神的最美注脚之一。二十年之后人们再来回顾这场历程时,或唏嘘一场,或惊心动魄,无论如何,作为其中的亲历者,其内心一定别有一番滋味。也许等我退休之后(如果我能熬到那天的话),我会写一本回忆录,应该会很有意思。

在这场远征中,目前已经有好几支队伍冲锋在前,另外还有些队伍整装待发。且不去想最终哪支队伍能登顶摘取“圣杯”,仅就目前的发展形势和近期趋势来看,超导量子计算无疑是走在最前面的。作为一种固态量子器件,其最大的特点是可设计(我一直找不到一个特别贴切的词来表述“engineering”的准确意思,姑且用设计吧)、易耦合。

这两个特点都是与自然原子或其他自然粒子相反的。以原子为例,它的内部结构是固定的,几乎不可能去人为地“塑造”它们,因此它们往往是非常稳定的。除了那些具有放射性的元素以外,绝大部分原子几乎是亘古不变的,存在于我们身体里的原子,或许在一亿年前存在于某条恐龙的身体里。这些特点让自然原子天然地具有很长的“寿命”,而与之相对的,就是它们很难耦合。倘若我们站在一个原子的视角看这个世界,正如同我们站在地球上看浩淼的宇宙——一个星球悬浮在那里,孤独而美丽。偶尔有个别天外之物光临,也瞬间化作流星,消失无踪。对于一个如此稳定的量子体系,你会发现,它看上去很美,你却束手无策(难以操控和测量)!这的确是我们在面对自然原子时所面临的困境,直到21世纪腔量子电动力学(Cavity QED)的发展,才终于找到操控和测量单个原子中量子态的手段,为此两位科学家Serge Haroche和David J. Wineland共享了2012年诺贝尔物理学奖,以表彰他们“突破性的实验方法,使测量和操作单个量子系统成为可能。”

超导量子比特则正好相反,它是通过对超导“宏观量子态”进行再约束而形成的超精细能级。在《当量子计算遇上超导:一场美丽的邂逅》中我对此做了一些叙述,这里可以再补充一点,说得更形象一点。

在微观世界里,一个或少数几个原子、电子等,它们在岁月静好中,自然是处于量子态并受量子力学所支配的。我们暂且将原子比喻成一个人,观察单个的原子,就如同在一个玻璃罩中观察一个人那样,此时我们发现这个人居然是“量子”的。但当大量这样的粒子在一起,同时存在一定的相互作用时,量子性就会迅速消失,进入“宏观世界”,行为就变成了经典的。就像我们站在高台上看广场中的人头攒动,此时我们已很难分辨或追踪某个人的具体行为和踪迹了。我们看到和感受到的,只能是一些总体的行为,比如人群向哪里聚集,向哪里流动等。我们日常见到的物体,内部的原子数在10^23量级,想象一下我们观赏千万亿亿个人的集体时会看到什么?可以肯定的是,此时我们不可能再分辨出某一个人在干什么了。


图2. 寻找维尼?在一个自由度(广场中的每个人,可以看成是一个“自由度”)非常多的群体当中,我们不再可能去关注个人行为,而只能看到集体行为。

但如果我们将所有的人训练成一支军队,情况就有所不同了。当国庆阅兵时,一个个方阵走过天安门,所有战士的动作、喊声,整齐划一,此时人群的集体行为和其中任何一个“个人”的行为是一致的。假如个人行为是“量子”的,那么可以想象,这支军队的行为也就是量子的。宏观量子态,就是这样一支军队。目前我们人类已经找到了好几种这样的“宏观量子态”,包括玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC),以及超导态等。毛主席说得好,团结就是力量,在这种整齐划一的“量子军队”中,各种量子效应会得到放大,就如同阅兵方阵喊出的“为人民服务!”,震天价响。这就解释了为什么超导量子比特这种基于宏观量子态的比特易于耦合(相互作用)——尽管与任何单个粒子的耦合非常微弱,但大量行为相同的粒子集体来看,耦合就会变得非常强。


图3. 阅兵场上的情形就有所不同:所有的战士整齐划一,形同一人。在这种体系中,“集体自由度”与“个体自由度”某种程度上是一致的。

量子比特的“寿命”:它们有自己的“时钟”

任何事物都是辩证统一的,量子态并不能区分外部的相互作用是来自于我们人为的操控,还是其他莫名其妙的来源。因此,集团军模式的宏观量子态的确能加强与外界的相互作用,让操控、耦合和读出都变得更容易,但它也更容易受到外界干扰。

物理上,我们将这些不可控、不可知的自由度通通称为噪声。在固体中,一个量子态面临的环境要比单个原子中某个量子态所面临的复杂得多。原子、电子的随机运动,空间中各种电磁波,甚至宇宙射线,都会与我们精心制备的量子态发生作用,从而“偷走”其中的信息,并迅速消失在茫茫人海中。由于计算本质上是一种信息处理过程,因此,信息的丢失自然就对应着计算错误。

现在,我们终于将主题拉回到“寿命”上来了。上面提到的信息丢失,通俗点来说就相当于这个量子态寿终正寝了,于是我们就称一个量子比特保持信息不丢失的时间为它的“寿命”。由于噪声以及量子过程内在的随机性,这个所谓“寿命”实际上是一个统计上的特征时间,物理上我们称为“退相干时间(decoherence time)”。所有量子计算的操控动作,原则上应该在远小于这个时间内完成,以避免错误的发生。这正是建造量子计算机的“Divincenzo准则”之一(参见《当量子计算遇上超导:一场美丽的邂逅》)。

与其他量子比特相比,超导量子比特的寿命非常短(其原因在前面讲过了)。目前的典型值大约在10-100微秒量级。这个时间,比我们眨一下眼睛所用的时间都短得多,如果用我们人的时钟来看,这个寿命简直不值一提。但我们应该站在量子比特的角度去看,不是吗?


图4. 《星际穿越》中,飞船靠近黑洞时,时钟变得非常缓慢:飞船上1小时,人间已过7年!同样的时间,不同的“滴答”,体验差异是巨大的。

对于超导量子比特而言,做一次量子门操作的时间大约在10-100纳秒量级,为此我们可以将这个门操作的时间看作量子比特的一个“滴答”(tick-tock)。假如一个量子比特的寿命为100微秒,它的一个“滴答”是50纳秒,那它将在2000个“滴答”之后“驾鹤西去”,而这就是这个比特所能进行的运算的极限。如果将量子比特的“滴答”等效成我们人的“滴答”的话,量子比特能活半个小时呢!

北京量子信息科学研究院通过材料和微纳加工工艺方面的创新,将这个“寿命”延长到了503微秒,用上面的比方来说,它能活近3个小时。假如你只有半小时的寿命,恐怕仅够为来生许几个愿望,但如果你有3个小时,你甚至来得及赶回家为家人做顿饭然后一起享用这顿美食。是不是很香?

可见衡量一个量子比特的寿命,不能光看绝对时间。正如前面所论述的,真正有效的寿命,还需要结合一个“滴答”到底多长来衡量。以另外一种类型的量子比特——核磁共振量子比特为例,它的退相干时间一般在1秒左右,而做一次门操作的时间为1-10毫秒。按照上面的等效法,它大约只相当于人的2到20分钟——尽管它的绝对寿命要比超导量子比特长上万倍。如何把一个“滴答”做得更短,让量子门做得更快更准,是另外一个需要突破的技术挑战,在这里暂时不展开来讲。我也许会在后续的篇章中作为专题写一下,敬请期待哦。

数量VS寿命

由于量子比特操控错误主要来源于“退相干错误”,而退相干错误对寿命是指数依赖关系,因此寿命的延长无疑对操控精度的提升有很大的帮助。寿命一直是超导量子比特的短板,第一个超导量子比特做出来的时候,寿命只有不到3纳秒(那还是估计的,不是准确测量的)。所以超导量子计算研究的前期和中期,如何提高量子比特寿命是一个核心主题,甚至是评价一种量子比特形态(超导量子比特也有很多种形态)是否有前景的主要指标。如今,主流的超导量子比特寿命已经达到了100微秒的量级,与其诞生之初相比,提升了5个数量级,其发展速度竟类似摩尔定律!凯文·凯利(Kevin Kelly)在他经典的著作《失控》中,曾描述过技术发展的规律,类似摩尔定律的指数发展律在很多领域的某阶段都发生过,而指数的类摩尔定律发展,也是一项技术发展最具活力的象征。


图5. 超导量子比特寿命发展的“摩尔定律”

自transmon量子比特(全称为“传输线旁路的等离子体振荡量子比特”,所以还是用transmon比较合适)及电路量子电动力学(Circuit-QED)发展起来之后,超导量子计算的发展重心逐渐向规模化转移。人们越来越期待比特数增加之后所带来的奇迹,谷歌“量子霸权”(quantum superamacy,现在大家不喜欢这个词,更倾向于用“量子优势”quatum advantage)的演示,将这一趋势推向了高潮。比特数增加带来的工程化挑战,自然是让很多研究者热血澎湃,但业界迟早,或已经在反思:目前的量子比特寿命真的够了吗?如果制造出的是一大堆充满噪声的比特,多了真的能出奇迹吗?我相信真正熟悉并希望造出实用量子计算机的人们心中会有答案。我的答案是:如果不持续提升量子比特这一基本单元的性能,包括寿命和门操控保真度(扣除错误率之后的准确率就是保真度),超导量子计算的规模化之路走不远。材料生长、表面界面处理、微纳加工工艺等,这些基础科学技术如果突破,有可能为规模化带来质的飞跃。但这是一条充满艰辛的道路。

量子纠错——“谍海战术”

降低错误率,提升比特寿命和操控保真度,还有一个途径。我曾经在《返朴》上向读者推荐了Adrian Cho的文章《量子计算的下一个超级大挑战》,详细阐述了这一途径——量子纠错。量子纠错的主要思想是将量子态编码到一个更大的空间中去,以提升量子态的抗噪能力。打个比方说,原本我们是将信息交给一个情报员保管。谍战险恶,周围到处都隐藏着各路黑客,他们会不断攻击我们的情报员,窃走或破坏他手里的情报。哪怕是最顶尖的情报员,也只能保护手里的情报几个小时,蹩脚的分分钟就被盗走了。这个问题很伤脑筋,再这么下去情报工作没法做了!终于,情报局想出了一个新办法:他派出更多的情报员,每个人手里拿着一份信息的拷贝,他们定期会核对手里的情报,一旦某个或某几个人的情报出错了就尽快纠正他们。这样一来,只要我派出的情报员足够多,他们核对信息的频率足够快,无论黑客怎么攻击,他们也能保持信息的完好。至此,完美解决了情报丢失的问题。这个比喻也许不那么恰当,因为它没考虑黑客们拿走情报之后会用来干什么坏事,或许这些黑客仅仅就是一帮恶趣味,以搞破坏为荣。

早期提出的量子纠错算法更像是一个数学玩具,因为他们对每个情报官的素质要求太高了,即便我们目前最顶尖的特工也做不到。直到Kitaev提出了拓扑编码方法,后经改进之后,演变成了所谓的“表面编码”。这种纠错码大大降低了对情报员自身素质的要求,我们目前的技术就能够造出来了,代价就是需要更多的特工,称得上是“谍海战术”:以现有技术水平估计,构建出一个“永不消逝的量子波”,需要3000+个这样的情报员!好在我们至少看到了希望。


图6. 表面编码:目前最具实用性的量子纠错码。图(a)中的空心圆点为数据比特,实心(黑)圆点为纠错比特。通过一定的形式将信息编码到数据比特中,然后将数据比特与纠错比特〔以(b)和(c)中的形式〕纠缠起来并对纠错比特做测量,可以在不破坏数据比特信息的情况下,追踪它们是否发生错误,不断重复这样的过程,就能够持续的修正错误。

尽管表面编码对物理比特性能的要求大幅降低了,但依旧充满了挑战性。到目前为止,尚未有任何团队在哪怕最简单的“Surface-17”(包含9个数据比特和8个纠错比特)编码结构中实现了真正的纠错,即突破错误率盈亏平衡点。未来要想在这方面取得突破,同样依赖于物理比特性能的提升,而其中最关键的指标之一,依然是寿命。这是一条更艰辛的道路。

至此,我国在单个超导量子比特寿命上的突破,其意义就不言而喻了。但这远远不是远征的终点,甚至驻足点都不算,毫不值得沾沾自喜。如何将这些技术推广到包含更多量子比特的芯片中去,如何以此为基础进一步提升量子门操控的保真度,将是接下来更为重要的挑战。

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