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量子比特数,是衡量量子计算机性能的重要指标之一。每增加一个量子比特,量子计算机的运算能力将以指数倍增加。有报道指出,一台30个量子比特的量子计算机的计算能力和一台每秒万亿次浮点运算的经典计算机水平相当,是今天经典台式机速度的1万倍。人们相信,一旦量子比特数达到50以上,它就能在处理某些特定问题时展现超越超级计算机的运算能力。

全局纠缠,通俗的理解就是让所有量子比特协同参与工作。量子操纵是量子计算的技术制高点,实现全局纠缠是检验操纵是否成功的标志。“高精度地操控它们,同时还能保持质量稳定,是一项难度极大的挑战。”论文共同第一作者、中科院物理所副研究员许凯介绍说。

实验团队利用这一芯片,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。“我们确实看到了在经验世界中看不到的现象,形象地说就是一只由20个人造原子构成的‘猫’,薛定谔猫态。”论文共同第一作者、浙江大学物理系博士生宋超说。

在短短187纳秒之内(人眨一次眼所需时间的百万分之一),20个人造原子从“起跑”时的相干态,历经多次变身,最终形成同时存在两种相反状态的纠缠态。这“璀璨”的187纳秒,见证了人类在量子计算研究道路上又迈出的一步。

“与世界上其他的超导量子芯片相比,我们研发的芯片拥有一个显著特点,那就是所有比特之间都能够进行相互连接,这能够提升量子芯片的运行效率,也是我们能够率先实现20比特纠缠的重要原因之一。”许凯总结道。

多比特量子纠缠态的实验制备是衡量量子计算平台控制能力的关键标志,国际竞争尤为激烈。据介绍,该工作最早于5月1日公布于预印本网站。5月14日,美国IBM超导量子计算团队和哈佛大学里德堡原子团队也在预印本网站公布了类似的实验结果。三个工作报道的纠缠比特数目基本持平,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。(崔雪芹)

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.aay0600

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