版權(quán)歸原作者所有,如有侵權(quán),請聯(lián)系我們

超導(dǎo)量子比特壽命突破500微秒——雖為人間一剎,卻是意義非凡

返樸
原創(chuàng)
溯源守拙·問學(xué)求新?!斗禈恪?,科學(xué)家領(lǐng)航的好科普。
收藏

近日,在中關(guān)村論壇上北京量子信息科學(xué)研究院發(fā)布了最新成果長壽命超導(dǎo)量子比特芯片,成功使超導(dǎo)量子比特退相干時間達到503微秒,創(chuàng)造了新的世界紀錄。有趣的是,因為該成果標(biāo)題中寫著“長壽命”,一些公眾饒有興趣地上前詢問,以為可以通過量子技術(shù)延年益壽。量子比特的“壽命”即量子退相干時間,如何保持量子相干性是目前研制量子計算機的關(guān)鍵問題之一,國際競爭激烈。本文用通俗的語言介紹超導(dǎo)量子比特,以及與“壽命”相關(guān)的問題。我們應(yīng)該了解,在量子計算基礎(chǔ)研究和工程化方面,仍有很長的路要走。

撰文 | 無邪

近日,2021中關(guān)村論壇上發(fā)布了一項成果,其名曰“長壽命超導(dǎo)量子比特芯片”。這個成果將超導(dǎo)量子比特的壽命提升到了500微秒以上,成為目前國際上經(jīng)同行認可的最高記錄。(當(dāng)數(shù)據(jù)在arXiv上公開的同時,IBM的量子計算負責(zé)人Gambetta也在推特上發(fā)了一張圖,顯示它們的量子比特壽命已經(jīng)達到了1毫秒以上。以IBM及其量子計算團隊的信譽,這個數(shù)據(jù)應(yīng)該是真實的,不過此后他們再也沒有公布任何細節(jié)和更多的數(shù)據(jù)。由此可見,推特不僅能治國。)

圖1. 2021年度中關(guān)村論壇,長壽命超導(dǎo)量子比特芯片作為重大成果之一發(fā)布

該成果在論壇(科博會)上展出的時候,引起了很多媒體和公眾的關(guān)注。期間我們發(fā)現(xiàn)一個很有意思的事情,不少老年人上前來問:這個成果真的能延長壽命嗎?這個問題真真是不好回答,讓這些滿懷希望的老人失望而歸,心有不忍,但真的不能誤導(dǎo)他們??!有鑒于不少人將關(guān)注點放到了“長壽命”上,我覺得有必要解釋一下:量子比特的壽命,和人的壽命,的確是兩回事。想延年益壽,留戀人間的美好,或許是人入晚年的一個普遍心態(tài)。其實有很多科學(xué)家在努力攻克這些難關(guān),但真的不是我們這些做量子技術(shù)的人所能解決的,還請長輩們移步生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和健康相關(guān)的展區(qū),或許他們能給出更滿意的回答。當(dāng)然,也順便要提醒一下長壽心切的長輩們,以科學(xué)之態(tài)度審視科學(xué),切勿被動機不純的斂財奸商所利用,被偽科學(xué)所忽悠。

超導(dǎo)量子比特:構(gòu)建于宏觀量子態(tài)之上的量子比特

我在《返樸》的上一篇文章《當(dāng)量子計算遇上超導(dǎo):一場美麗的邂逅》中,談到過采用超導(dǎo)器件來構(gòu)建量子比特的奇妙之處。建造一臺強大的量子計算機,注定是一場史詩級的科技大冒險,它必將是人類偉大探索精神的最美注腳之一。二十年之后人們再來回顧這場歷程時,或唏噓一場,或驚心動魄,無論如何,作為其中的親歷者,其內(nèi)心一定別有一番滋味。也許等我退休之后(如果我能熬到那天的話),我會寫一本回憶錄,應(yīng)該會很有意思。

在這場遠征中,目前已經(jīng)有好幾支隊伍沖鋒在前,另外還有些隊伍整裝待發(fā)。且不去想最終哪支隊伍能登頂摘取“圣杯”,僅就目前的發(fā)展形勢和近期趨勢來看,超導(dǎo)量子計算無疑是走在最前面的。作為一種固態(tài)量子器件,其最大的特點是可設(shè)計(我一直找不到一個特別貼切的詞來表述“engineering”的準(zhǔn)確意思,姑且用設(shè)計吧)、易耦合。

這兩個特點都是與自然原子或其他自然粒子相反的。以原子為例,它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是固定的,幾乎不可能去人為地“塑造”它們,因此它們往往是非常穩(wěn)定的。除了那些具有放射性的元素以外,絕大部分原子幾乎是亙古不變的,存在于我們身體里的原子,或許在一億年前存在于某條恐龍的身體里。這些特點讓自然原子天然地具有很長的“壽命”,而與之相對的,就是它們很難耦合。倘若我們站在一個原子的視角看這個世界,正如同我們站在地球上看浩淼的宇宙——一個星球懸浮在那里,孤獨而美麗。偶爾有個別天外之物光臨,也瞬間化作流星,消失無蹤。對于一個如此穩(wěn)定的量子體系,你會發(fā)現(xiàn),它看上去很美,你卻束手無策(難以操控和測量)!這的確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(xué)(Cavity QED)的發(fā)展,才終于找到操控和測量單個原子中量子態(tài)的手段,為此兩位科學(xué)家Serge Haroche和David J. Wineland共享了2012年諾貝爾物理學(xué)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(tǒng)成為可能?!?/p>

超導(dǎo)量子比特則正好相反,它是通過對超導(dǎo)“宏觀量子態(tài)”進行再約束而形成的超精細能級。在《當(dāng)量子計算遇上超導(dǎo):一場美麗的邂逅》中我對此做了一些敘述,這里可以再補充一點,說得更形象一點。

在微觀世界里,一個或少數(shù)幾個原子、電子等,它們在歲月靜好中,自然是處于量子態(tài)并受量子力學(xué)所支配的。我們暫且將原子比喻成一個人,觀察單個的原子,就如同在一個玻璃罩中觀察一個人那樣,此時我們發(fā)現(xiàn)這個人居然是“量子”的。但當(dāng)大量這樣的粒子在一起,同時存在一定的相互作用時,量子性就會迅速消失,進入“宏觀世界”,行為就變成了經(jīng)典的。就像我們站在高臺上看廣場中的人頭攢動,此時我們已很難分辨或追蹤某個人的具體行為和蹤跡了。我們看到和感受到的,只能是一些總體的行為,比如人群向哪里聚集,向哪里流動等。我們?nèi)粘R姷降奈矬w,內(nèi)部的原子數(shù)在10^23量級,想象一下我們觀賞千萬億億個人的集體時會看到什么?可以肯定的是,此時我們不可能再分辨出某一個人在干什么了。

圖2. 尋找維尼?在一個自由度(廣場中的每個人,可以看成是一個“自由度”)非常多的群體當(dāng)中,我們不再可能去關(guān)注個人行為,而只能看到集體行為。

但如果我們將所有的人訓(xùn)練成一支軍隊,情況就有所不同了。當(dāng)國慶閱兵時,一個個方陣走過天安門,所有戰(zhàn)士的動作、喊聲,整齊劃一,此時人群的集體行為和其中任何一個“個人”的行為是一致的。假如個人行為是“量子”的,那么可以想象,這支軍隊的行為也就是量子的。宏觀量子態(tài),就是這樣一支軍隊。目前我們?nèi)祟愐呀?jīng)找到了好幾種這樣的“宏觀量子態(tài)”,包括玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC),以及超導(dǎo)態(tài)等。毛主席說得好,團結(jié)就是力量,在這種整齊劃一的“量子軍隊”中,各種量子效應(yīng)會得到放大,就如同閱兵方陣喊出的“為人民服務(wù)!”,震天價響。這就解釋了為什么超導(dǎo)量子比特這種基于宏觀量子態(tài)的比特易于耦合(相互作用)——盡管與任何單個粒子的耦合非常微弱,但大量行為相同的粒子集體來看,耦合就會變得非常強。

圖3. 閱兵場上的情形就有所不同:所有的戰(zhàn)士整齊劃一,形同一人。在這種體系中,“集體自由度”與“個體自由度”某種程度上是一致的。

量子比特的“壽命”:它們有自己的“時鐘”

任何事物都是辯證統(tǒng)一的,量子態(tài)并不能區(qū)分外部的相互作用是來自于我們?nèi)藶榈牟倏?,還是其他莫名其妙的來源。因此,集團軍模式的宏觀量子態(tài)的確能加強與外界的相互作用,讓操控、耦合和讀出都變得更容易,但它也更容易受到外界干擾。

物理上,我們將這些不可控、不可知的自由度通通稱為噪聲。在固體中,一個量子態(tài)面臨的環(huán)境要比單個原子中某個量子態(tài)所面臨的復(fù)雜得多。原子、電子的隨機運動,空間中各種電磁波,甚至宇宙射線,都會與我們精心制備的量子態(tài)發(fā)生作用,從而“偷走”其中的信息,并迅速消失在茫茫人海中。由于計算本質(zhì)上是一種信息處理過程,因此,信息的丟失自然就對應(yīng)著計算錯誤。

現(xiàn)在,我們終于將主題拉回到“壽命”上來了。上面提到的信息丟失,通俗點來說就相當(dāng)于這個量子態(tài)壽終正寢了,于是我們就稱一個量子比特保持信息不丟失的時間為它的“壽命”。由于噪聲以及量子過程內(nèi)在的隨機性,這個所謂“壽命”實際上是一個統(tǒng)計上的特征時間,物理上我們稱為“退相干時間(decoherence time)”。所有量子計算的操控動作,原則上應(yīng)該在遠小于這個時間內(nèi)完成,以避免錯誤的發(fā)生。這正是建造量子計算機的“Divincenzo準(zhǔn)則”之一(參見《當(dāng)量子計算遇上超導(dǎo):一場美麗的邂逅》)。

與其他量子比特相比,超導(dǎo)量子比特的壽命非常短(其原因在前面講過了)。目前的典型值大約在10-100微秒量級。這個時間,比我們眨一下眼睛所用的時間都短得多,如果用我們?nèi)说臅r鐘來看,這個壽命簡直不值一提。但我們應(yīng)該站在量子比特的角度去看,不是嗎?

圖4. 《星際穿越》中,飛船靠近黑洞時,時鐘變得非常緩慢:飛船上1小時,人間已過7年!同樣的時間,不同的“滴答”,體驗差異是巨大的。

對于超導(dǎo)量子比特而言,做一次量子門操作的時間大約在10-100納秒量級,為此我們可以將這個門操作的時間看作量子比特的一個“滴答”(tick-tock)。假如一個量子比特的壽命為100微秒,它的一個“滴答”是50納秒,那它將在2000個“滴答”之后“駕鶴西去”,而這就是這個比特所能進行的運算的極限。如果將量子比特的“滴答”等效成我們?nèi)说摹暗未稹钡脑?,量子比特能活半個小時呢!

北京量子信息科學(xué)研究院通過材料和微納加工工藝方面的創(chuàng)新,將這個“壽命”延長到了503微秒,用上面的比方來說,它能活近3個小時。假如你只有半小時的壽命,恐怕僅夠為來生許幾個愿望,但如果你有3個小時,你甚至來得及趕回家為家人做頓飯然后一起享用這頓美食。是不是很香?

可見衡量一個量子比特的壽命,不能光看絕對時間。正如前面所論述的,真正有效的壽命,還需要結(jié)合一個“滴答”到底多長來衡量。以另外一種類型的量子比特——核磁共振量子比特為例,它的退相干時間一般在1秒左右,而做一次門操作的時間為1-10毫秒。按照上面的等效法,它大約只相當(dāng)于人的2到20分鐘——盡管它的絕對壽命要比超導(dǎo)量子比特長上萬倍。如何把一個“滴答”做得更短,讓量子門做得更快更準(zhǔn),是另外一個需要突破的技術(shù)挑戰(zhàn),在這里暫時不展開來講。我也許會在后續(xù)的篇章中作為專題寫一下,敬請期待哦。

數(shù)量VS壽命

由于量子比特操控錯誤主要來源于“退相干錯誤”,而退相干錯誤對壽命是指數(shù)依賴關(guān)系,因此壽命的延長無疑對操控精度的提升有很大的幫助。壽命一直是超導(dǎo)量子比特的短板,第一個超導(dǎo)量子比特做出來的時候,壽命只有不到3納秒(那還是估計的,不是準(zhǔn)確測量的)。所以超導(dǎo)量子計算研究的前期和中期,如何提高量子比特壽命是一個核心主題,甚至是評價一種量子比特形態(tài)(超導(dǎo)量子比特也有很多種形態(tài))是否有前景的主要指標(biāo)。如今,主流的超導(dǎo)量子比特壽命已經(jīng)達到了100微秒的量級,與其誕生之初相比,提升了5個數(shù)量級,其發(fā)展速度竟類似摩爾定律!凱文·凱利(Kevin Kelly)在他經(jīng)典的著作《失控》中,曾描述過技術(shù)發(fā)展的規(guī)律,類似摩爾定律的指數(shù)發(fā)展律在很多領(lǐng)域的某階段都發(fā)生過,而指數(shù)的類摩爾定律發(fā)展,也是一項技術(shù)發(fā)展最具活力的象征。

圖5. 超導(dǎo)量子比特壽命發(fā)展的“摩爾定律”

自transmon量子比特(全稱為“傳輸線旁路的等離子體振蕩量子比特”,所以還是用transmon比較合適)及電路量子電動力學(xué)(Circuit-QED)發(fā)展起來之后,超導(dǎo)量子計算的發(fā)展重心逐漸向規(guī)?;D(zhuǎn)移。人們越來越期待比特數(shù)增加之后所帶來的奇跡,谷歌“量子霸權(quán)”(quantum superamacy,現(xiàn)在大家不喜歡這個詞,更傾向于用“量子優(yōu)勢”quatum advantage)的演示,將這一趨勢推向了高潮。比特數(shù)增加帶來的工程化挑戰(zhàn),自然是讓很多研究者熱血澎湃,但業(yè)界遲早,或已經(jīng)在反思:目前的量子比特壽命真的夠了嗎?如果制造出的是一大堆充滿噪聲的比特,多了真的能出奇跡嗎?我相信真正熟悉并希望造出實用量子計算機的人們心中會有答案。我的答案是:如果不持續(xù)提升量子比特這一基本單元的性能,包括壽命和門操控保真度(扣除錯誤率之后的準(zhǔn)確率就是保真度),超導(dǎo)量子計算的規(guī)?;纷卟贿h。材料生長、表面界面處理、微納加工工藝等,這些基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)如果突破,有可能為規(guī)模化帶來質(zhì)的飛躍。但這是一條充滿艱辛的道路。

量子糾錯——“諜海戰(zhàn)術(shù)”

降低錯誤率,提升比特壽命和操控保真度,還有一個途徑。我曾經(jīng)在《返樸》上向讀者推薦了Adrian Cho的文章《量子計算的下一個超級大挑戰(zhàn)》,詳細闡述了這一途徑——量子糾錯。量子糾錯的主要思想是將量子態(tài)編碼到一個更大的空間中去,以提升量子態(tài)的抗噪能力。打個比方說,原本我們是將信息交給一個情報員保管。諜戰(zhàn)險惡,周圍到處都隱藏著各路黑客,他們會不斷攻擊我們的情報員,竊走或破壞他手里的情報。哪怕是最頂尖的情報員,也只能保護手里的情報幾個小時,蹩腳的分分鐘就被盜走了。這個問題很傷腦筋,再這么下去情報工作沒法做了!終于,情報局想出了一個新辦法:他派出更多的情報員,每個人手里拿著一份信息的拷貝,他們定期會核對手里的情報,一旦某個或某幾個人的情報出錯了就盡快糾正他們。這樣一來,只要我派出的情報員足夠多,他們核對信息的頻率足夠快,無論黑客怎么攻擊,他們也能保持信息的完好。至此,完美解決了情報丟失的問題。這個比喻也許不那么恰當(dāng),因為它沒考慮黑客們拿走情報之后會用來干什么壞事,或許這些黑客僅僅就是一幫惡趣味,以搞破壞為榮。

早期提出的量子糾錯算法更像是一個數(shù)學(xué)玩具,因為他們對每個情報官的素質(zhì)要求太高了,即便我們目前最頂尖的特工也做不到。直到Kitaev提出了拓撲編碼方法,后經(jīng)改進之后,演變成了所謂的“表面編碼”。這種糾錯碼大大降低了對情報員自身素質(zhì)的要求,我們目前的技術(shù)就能夠造出來了,代價就是需要更多的特工,稱得上是“諜海戰(zhàn)術(shù)”:以現(xiàn)有技術(shù)水平估計,構(gòu)建出一個“永不消逝的量子波”,需要3000+個這樣的情報員!好在我們至少看到了希望。

圖6. 表面編碼:目前最具實用性的量子糾錯碼。圖(a)中的空心圓點為數(shù)據(jù)比特,實心(黑)圓點為糾錯比特。通過一定的形式將信息編碼到數(shù)據(jù)比特中,然后將數(shù)據(jù)比特與糾錯比特〔以(b)和(c)中的形式〕糾纏起來并對糾錯比特做測量,可以在不破壞數(shù)據(jù)比特信息的情況下,追蹤它們是否發(fā)生錯誤,不斷重復(fù)這樣的過程,就能夠持續(xù)的修正錯誤。

盡管表面編碼對物理比特性能的要求大幅降低了,但依舊充滿了挑戰(zhàn)性。到目前為止,尚未有任何團隊在哪怕最簡單的“Surface-17”(包含9個數(shù)據(jù)比特和8個糾錯比特)編碼結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了真正的糾錯,即突破錯誤率盈虧平衡點。未來要想在這方面取得突破,同樣依賴于物理比特性能的提升,而其中最關(guān)鍵的指標(biāo)之一,依然是壽命。這是一條更艱辛的道路。

至此,我國在單個超導(dǎo)量子比特壽命上的突破,其意義就不言而喻了。但這遠遠不是遠征的終點,甚至駐足點都不算,毫不值得沾沾自喜。如何將這些技術(shù)推廣到包含更多量子比特的芯片中去,如何以此為基礎(chǔ)進一步提升量子門操控的保真度,將是接下來更為重要的挑戰(zhàn)。