多个量子比特是什么原理？

多个量子比特是什么原理

接下来具体说说

进展 | 强关联量子行走在12量子比特超导处理器上的实现

利用多个超导量子比特模拟各种量子效应是当前人们关注的前沿研究。近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心范桁研究员，北京计算科学研究中心/物理所张煜然博士等所组成的理论组与中国科学技术大学朱晓波教授、潘建伟教授及其团队闫智广、龚明等多位成员所组成的实验组，及浙江大学游建强教授、日本理化学研究所Nori教授、南京大学夏可宇教授等多位研究人员（排名不分先后）通力合作，在具有12个量子比特的超导处理器上实现了强关联粒子的量子行走模拟，成果已于5月2日在国际学术刊物《科学》在线发表。

量子行走是什么

量子行走是经典随机行走在量子情况下的对应和推广。随机行走又称为随机游走、随机漫步等，指行走者在特定路线或者区域无规律移动，比如在跑道上无规律前进或者后退，或者在操场随机走动，可等同于布朗运动、扩散等物理现象，也和图灵机紧密联系，因此在计算机理论中有重要应用，相对于量子情况，可称为经典随机行走。随机行走可通俗地称为醉汉模型，图一显示一个卡通人物在醉酒状态下的行走轨迹.

图一. 随机行走可以用醉汉模型来描述，一个醉汉在二维格点随机的前后左右行走，其轨迹随机而无规律。

量子行走和经典随机行走类似，但行走者一般为微观粒子或者准粒子激发，每次按照一定的概率移动，比如在一维链格点移动，但是不同于经典情况，其状态需要用量子力学的波函数即叠加态表示，行走者的移动规律也不能简单地解释为前移或者后移，需要用量子力学波函数的统计规律来诠释。和经典随机行走在计算机理论中的作用类似，量子行走在量子计算中也有重要应用，可实现通用量子计算，因此是量子模拟的一个实现目标，最近几年在不同物理系统比如冷原子和离子阱等实验平台都有量子行走不同现象和规律的展示，但在准确度和规模方面距离理想状态还有较大的发展空间。

图二. 量子行走动态示意图。粒子激发以叠加态类似于波的形式在一维链状量子比特间传播。

超导量子模拟

量子计算的实现有多种技术方案，其中超导量子计算是最具实用化前景的方案之一，超导量子比特具有长相干时间，可精确操控和读出，特别是可扩展性好等特点，最近几年发展迅速，国际竞争激烈，学术界和工业界高科技公司都非常重视。超导量子计算能同时操控的量子比特数是实验平台一个重要指标，国外（自）媒体有制备49、72个等量子比特器件的报道，不过科研文章并没有这些器件测控的展示。报导的文章中运用的超导量子处理器（superconducting processor）具有排成一列有紧邻相互作用的12个量子比特，实验中分别利用了其中的11个和全部12个量子比特，展示了激发其中一个和两个量子比特，在紧邻相互作用下，利用准粒子激发在一维链中的传播和震荡来实现量子行走，实验高精度展示了量子行走的特征和新奇物理，与理论和数值预测相符，为后续实现更大规模量子计算和量子模拟奠定了基础。

量子行走中量子纠缠的产生、传递与时空光锥

实验分别展示了单粒子激发和双粒子激发量子行走，单粒子激发利用了器件中的11个量子比特，先将所有的量子比特初始化到基态，激发其中一个量子比特，分别选择两端的量子比特或中间即第6个量子比特，进行时间演化并进行单发（single shot）测量。对双粒子激发量子行走，用全部12个量子比特，选择中间两个量子比特即第6,7量子比特或者两端的量子比特进行激发，同样进行时间演化和测量。

对单粒子激发，发现激发可以传递到紧邻的量子比特，并形成相干叠加态，除了单比特极（磁）化率的传递和扩散，也会产生纠缠态的传递和震荡，其传递速度可以用高斯波包群速度量化，速度大小将受限于李博-罗宾逊（Lieb-Robinson）极限，类似于时空光锥现象，即激发和纠缠的传递不能突破光锥，实验中，这些现象被很好地展示。

图三. 单粒子激发时量子纠缠的演化，量子比特（5,7）间先产生了纠缠，接着更远距离的量子比特间产生了纠缠，一直到两个端点第1和第11个量子比特间的纠缠，量子纠缠在一维链中进行传递和震荡，在此器件中其传递速度为每微秒118.4个格点，此图来自文章附件材料。

对单粒子量子行走，由于量子比特间的相互作用，激发态将传递到紧邻比特，比如从第6个量子比特传递到5,7这两个量子比特，由于是相干叠加态，人们会发现这两个量子比特间产生了量子纠缠，下一个时间段，每个激发分别又传递到其紧邻比特，所以会涉及更多量子比特，这样一方面纠缠以一定的速度在传递，其速度符合李博-罗宾逊极限描述，参看图三，同时纠缠也扩散到更多的量子比特间，所以应该发现量子纠缠传递除了主波外，还存在次波现象。过去受限于实验精度，在其它实验平台只是展示了主波现象，而在此次的超导量子模拟实验中，可以很明显的发现次波现象，同时由于超导比特的长相干时间，可以发现激发到达两端的量子比特后，会反射回来，形成量子纠缠传递中的回波，应该指出纠缠传递的次波和回波是该项量子行走模拟实验中首次被展示的，见图四(E).

图四. 量子行走单粒子激发态的演化，包括李博-罗宾逊极限，单比特极化率，纠缠对的演化。从E中可以发现，纠缠大小除了有主波外，还有几个次波以及回波出现，此图来自文章正文。

强关联量子行走费米子化及反聚束现象

双粒子量子行走也存在如单粒子情况下类似的纠缠传递等现象，同时还可展示更多的新奇物理现象。人们知道，玻色子有玻色-爱因斯坦凝聚现象，费米子满足泡利不相容原理，分别表现为凝聚或者互斥效应，在一维链中反映为紧邻双激发共同朝一个方向运动的玻色子化，或者紧邻激发朝两边反向运动的费米子化，见图五，超导量子比特系统可对此现象进行对应模拟。

图五. 一维格点双激发聚束及反聚束分别对应玻色子和费米子性质，其运动轨迹分别表现为玻色子化的同向运动和费米子化的反向运动，此图来自文章正文。

超导量子比特体系本身包含多个能级，实现量子比特利用了其中最低的两个能级，有少量高能级占据，系统的哈密顿量可以用玻色-哈伯德模型描述，模型中的格点内(on-site)相互作用是由于器件的非谐性造成，一般为负值，即吸引相互作用，且此吸引相互作用大小可以在工艺上控制，一般远大于比特间的耦合强度。同时，实验中通过操控驱动频率也可以使得高能级占据概率很小，即准粒子激发基本不能双占据，此时，系统会展现出费米子化行为，即初始紧邻的两个激发会在演化过程中朝不同方向运动。实验中对第6,7量子比特激发，即比特翻转，演化中双激发分别朝两个端点传输，展示了费米子化现象，此现象对应于量子光学中光子对的聚束和反聚束（bunching, anti-bunching），需要用二阶关联进行刻画，技术上要求知道每次两个激发的准确位置，即需要单发同时测量多个量子比特数据。过去量子模拟实验局限于用光子或者原子来展示此现象，在此次的超导量子模拟中，此现象是用人工原子即超导量子比特中的激发来实现的，而不需要量子比特的实际移动。

图六. 强关联量子行走费米子化及反聚束效应，处于中位的两个超导量子比特（6,7）被激发，将会朝两端反向传播， 通过计算二阶关联会发现，两个量子比特运动的方向是相反的，反映出反聚束类似费米子的现象，见（C-H）所示二阶关联的演化，此图来自文章正文。

展望

超导量子比特系统展现了强有力的可调控性和精确读出能力，报导的实验中量子纠缠的读出需要用到态层析（state tomography）方法， 12个量子比特数及良好的扩展性预示着超导量子计算方案在规模化方面具有较大的发展潜力，是规模化、通用性强的实用量子计算机的有力竞争者。

文章信息及致谢

文章共同一作同等贡献者为：闫智广、张煜然、龚明，通讯作者为：朱晓波与范桁。全部作者名单及作者单位信息，请看参考文献及在线文章。

以上工作得到国家自然科学基金委(11574380, 11774022, 11774406, 11874212,U1530401, 11890704, U1801661)，科技部(2017YFA0304300, 2016YFA0302104, 2016YFA0301200, 2017YFA0303703)和中科院(XDB28000000)等基金的大力支持。

此进展报告的图一、图二由物理所研究生时运豪及葛自勇分别提供。

参考文献：

Zhiguang Yan#, Yu-Ran Zhang#, Ming Gong#, Yulin Wu, Yarui Zheng, Shaowei Li, Can Wang, Futian Liang, Jin Lin, Yu Xu, Cheng Guo, Lihua Sun, Chengzhi Peng, Keyu Xia, Hui Deng, Hao Rong, J. Q. You, Franco Nori, Heng Fan*, Xiaobo Zhu*, and Jian-Wei Pan, Strongly correlated quantum walks with a 12-qubit superconducting processor, Pubished online:

https://science.sciencemag.org/content/early/2019/05/01/science.aaw1611

DOI: 10.1126/science.aaw1611

(#表示同等贡献，*表示通讯作者)

编辑：井上菌

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量子计算机的硬件原理，和阻拦量子计算机实现的到底是什么？

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量子计算作为当代计算机科学领域的一项**性技术，正引领着计算机的新纪元，随着计算机科学的迅猛发展，经典计算机已经成为现代社会的核心工具，但它们在某些问题上仍然受限于传统的计算方式。

文 |古轩说史

编辑 | 古轩说史

经典计算机使用二进制位（bit）来存储和处理数据，每个bit只能表示0或1的状态。

01

量子计算基础

而量子计算机则使用量子比特（qubit）作为基本存储单位，它不同于经典位，可以同时处于0和1的叠加态。

这种量子叠加态是量子计算机的独特特性，使得它可以在同一时间处理多个计算路径，从而实现对问题更加高效的求解。

量子位与量子比特的原理是量子计算的核心，量子比特可以用一个量子体系的两个基态表示，通常是一个原子或者粒子的自旋状态。

这两个基态可以是垂直的线性极化态，例如，垂直向上自旋和垂直向下自旋，量子比特还可以通过叠加态来表示，即同时处于0和1的状态，这种叠加态为量子计算机带来了巨大的计算能力。

另一个关键概念是量子纠缠态，当两个或多个量子比特处于纠缠态时，它们之间的状态将密切相关，即使它们之间的距离很远，也会产生非常奇特的量子效应。

当一个纠缠态的量子比特的状态发生改变时，其他纠缠态的量子比特的状态也会瞬间发生相应变化。

这种纠缠态的特性使得量子计算机能够在处理某些问题时实现超越经典计算机的能力，例如在因子分解和搜索等方面表现出色。

量子计算的成功并非易事，它面临着许多挑战，其中最重要的挑战之一是量子态的保持时间，也称为相干时间。

在量子计算过程中，量子比特需要保持在叠加态和纠缠态中，但受到环境的干扰，量子比特的相干性很容易丧失，这会导致计算的错误和失败。

为了解决这个问题，科学家们在量子纠错和量子纠缠保持等方面进行了深入的研究。

量子计算机的稳定性和可扩展性也是一大挑战，目前的量子计算机往往只有数十个量子比特，而要实现真正意义上的量子优势，需要构建数百个或数千个量子比特的大规模量子计算机，如何实现更多量子比特的稳定运行，是当前科学家们面临的关键问题之一。

尽管面临着众多挑战，量子计算的前景仍然非常光明，近年来，许多科技巨头和研究机构纷纷投入大

量资金和资源在量子计算的研究和开发中，取得了一系列突破性进展，相信随着科学技术的不断进步，人们将能够克服当前的难题，实现真正意义上的量子计算机。

计算基础是探索量子计算机的必要先决条件，量子位与量子比特的原理以及量子叠加态与纠缠态的概念是人们理解量子计算的基石。

虽然目前面临着诸多挑战，但人们坚信随着科技的发展，量子计算将为人类带来前所未有的计算能力和科学突破。

02

量子计算机硬件架构

随着量子计算的快速发展，研究人员们不断探索各种不同的量子计算机硬件架构，以实现更强大、更稳定的量子计算能力。

在量子计算机中，量子门操作是对量子比特进行操作的基本单位，它们用于改变量子比特的状态，实现计算和量子信息处理。

量子电路是量子门操作的序列组合，描述了量子比特之间的相互作用和变换，通过在量子电路中将量子比特进行量子门操作，人们可以实现一系列复杂的量子计算任务。

除了不同的物理实现方式，量子计算机的拓扑结构也是研究人员们关注的焦点，拓扑结构决定了量子比特之间的连接方式，进而影响到量子计算机的性能和稳定性。

在量子计算机的拓扑结构中，一个重要的概念是量子比特的连接方式，量子比特之间的连接方式可以是直接相互作用，也可以通过中间比特来连接，拓扑结构还包括基本量子门集和全局量子门的设计。

基本量子门集是一组能够通过组合和重复操作构建任意量子门操作的基本量子门。

全局量子门是能够直接作用于所有量子比特的量子门，这对于实现复杂的量子计算任务非常重要。

当前，研究人员正在积极探索各种不同的量子计算机硬件架构，以寻找最适合实现大规模量子计算的方式。

虽然目前的量子计算机还面临许多技术挑战和难题，但随着科学技术的不断进步，人们相信量子计算机硬件架构将会得到持续优化和改进，为量子计算的应用和发展带来更加广阔的前景。

03

量子纠错与量子错误率

量子计算机是一种高度复杂且敏感的系统，容易受到噪声和干扰的影响，导致计算结果的错误。

这个时候就需要量子纠错，这是一种特殊的技术，旨在保护量子比特免受噪声和干扰的影响，从而提高量子计算的精确性和可靠性。

在量子计算中，量子比特处于叠加态和纠缠态，容易受到环境因素的干扰，导致其相干性丧失。

这种干扰可能导致量子计算的错误，因此人们需要一种方法来检测和纠正这些错误。

量子纠错的基本原理是使用额外的量子比特来检测和纠正主计算比特中的错误。

通过在量子纠错码中嵌入冗余信息，人们可以实现对主计算比特的错误检测，并使用纠错算法来恢复原始信息，这样即使主计算比特发生错误，人们仍然可以得到正确的计算结果。

目前量子纠错主要采用量子编码来实现，其中最为常见的是Steane码和Shor码。

Steane码是一种用于纠正单比特错误和双比特错误的量子编码方案，而Shor码则用于纠正连续的比特错误，这些编码方案为量子纠错提供了重要的理论基础。

可量子纠错并非易事，首先量子纠错的过程涉及到复杂的量子测量和量子纠缠操作，需要高度精确和稳定的实验技术支持。

纠错操作会带来额外的计算开销，影响量子计算的速度和效率，因此如何在保证纠错效果的同时，最小化计算开销成为了量子纠错研究中的重要问题。

另一个关键问题是量子错误率的降低，量子错误率是指在量子计算过程中，量子比特发生错误的概率。

由于量子计算机的敏感性和复杂性，量子比特的错误率相对较高，这限制了量子计算机的精确性和可靠性。

降低量子错误率需要从多个方面进行研究和优化，首先需要改进量子计算机的硬件架构，提高量子比特的相干时间和稳定性。

这可以通过优化超导量子位、离子阱量子计算和量子点量子计算等不同的实现方式来实现。

这可以采用量子错误校正技术，例如使用量子重复码来增加量子比特的冗余度，从而降低错误率，这些校正技术需要合理设计，以克服干扰和噪声对量子计算的影响。

最后，还可以通过量子错误检测和量子错误修复来降低错误率，这些方法依赖于额外的量子比特来监测和纠正主计算比特中的错误，提高了量子计算的可靠性。

纠错与降低量子错误率是量子计算研究中的关键问题，通过采用适当的纠错编码和优化量子计算机硬件架构，人们可以有效提高量子计算的精确性和可靠性。

随着科学技术的不断进步，相信量子纠错和降低量子错误率的研究将为量子计算的应用和发展带来更加广阔的前景。

04

量子计算机的实现挑战

量子计算机是当代计算机科学领域的一项重大挑战和前沿课题。虽然它具有巨大的潜力，但在实现过程中也面临着许多复杂的挑战。

比特的相干性和退相干是量子计算机实现中的一大挑战，量子比特处于叠加态和纠缠态，能够同时表示多种状态，这是量子计算机的核心优势。

而量子比特的相干性很容易受到外界环境的干扰，导致其退相干，即失去叠加态的性质。

退相干会导致量子计算的错误和不稳定性，因此如何保持量子比特的相干性成为了一个重要的问题。

比特之间的干扰与交叉耦合也是实现挑战之一，在量子计算机中，不同的量子比特需要相互作用来实现计算任务。他们之间的相互作用可能会导致干扰和交叉耦合，影响计算的精确性和可靠性。

因此科学家们需要设计合适的量子电路和纠错编码，以减少这种干扰和交叉耦合的影响。

量子比特的测量和读出也是一个具有挑战性的问题，在经典计算中，人们可以直接读取位的状态，而在量子计算中，量子比特的状态是用概率幅来表示的，必须通过测量来得到。

测量过程会干扰量子比特的状态，导致其塌缩到某个确定的状态，从而丧失量子计算的优势，因此如何实现高效而准确的量子比特测量和读出成为了实现挑战。

稳定性和校准是量子计算机实现中的另一个重要挑战，由于量子计算机对环境极为敏感，如温度、磁场等的微小变化都可能影响量子比特的性能，因此，保持量子计算机的稳定运行，减少噪声和干扰，需要精密的校准和调整。

最后量子噪声和误差的控制与纠正是实现挑战的重要方面，由于量子计算机的高敏感性，它容易受到噪声和误差的影响。

这些噪声和误差可能来自于量子比特自身的特性，也可能来自于外界环境，科学家们需要开发新的量子纠错编码和量子纠错算法，以有效降低噪声和误差的影响。

量子计算机的实现挑战是多方面的，包括量子比特的相干性和退相干、量子比特之间的干扰与交叉耦合、量子比特的测量与读出、量子计算机的稳定性与校准，以及量子噪声和误差的控制与纠正。

以上就是多个量子比特是什么原理？的详细内容，希望通过阅读小编的文章之后能够有所收获！