读创/深圳商报首席记者 吴吉

以下来自读创/深圳商报的报道：

近日，南方科技大学量子科学与工程研究院在超导量子线路系统中的两比特量子门操控研究中取得重要进展。量子研究院的副研究员燕飞、副研究员李剑、助理研究员徐源以及合作者南京大学研究员谭新生联合在基于超导量子线路系统中，利用可调耦合器实现两个超导量子比特之间的高保真度、高扩展性的两比特量子门方案，研究成果发表在国际著名学术刊物《物理评论快报》上。

如何控制两个“球”转动？这成了难题

“经典的信息处理的核心是经典比特，可以理解为一个硬币只能处于0和1两种状态。而量子计算的核心是量子比特，它可以同时处于0和1的任意叠加态。我们可以用一个球来形象表示量子比特，球的南极和北极分别表示量子比特的0和1两种状态，而球上的其他点则表示量子比特处于0和1的任意叠加态。”该论文的第一作者徐源老师用一个球作比喻，生动地诠释了量子计算的过程——如果说经典计算好似硬币翻面，从0到1，从1到0，那么对量子比特的操控就意味着我们需要控制量子比特的状态，在这个球面上沿着我们想要的路径，从一点移动到另外一点。这就对应了一个单比特量子门操控。“目前，基于超导线路系统的量子计算中，单比特量子门操控准确度已经可以达到0.999以上，而科学界面临的最大瓶颈是如何在不损失扩展性的前提下，实现高准确度的两比特量子门操控。”徐源说。

两量子比特状态的关联操作

为什么两比特量子门比单比特量子门更加难以操控呢？徐源依然用球来做比喻——“我们可以将两比特量子门操作形象地理解为两个放在手掌中的球，每个球对应一个量子比特，两比特量子门操作就是通过动态地控制手掌的姿态，来使得这两个球沿着我们想要的路径进行旋转。”控制两个球显然比控制一个球的难度大，且两个“球”之间还会互相干扰，所以目前这成了困扰科学界的一个难题。

在两个量子比特间加个“操控器”

据徐源介绍，在超导量子线路系统中，实现两比特量子门操作的方法有很多，目前国际上主流的方案主要有三种：一是两个量子比特直接耦合，二是两个量子比特通过简谐振子间接耦合，三是两个量子比特通过可调耦合器间接耦合。第一种方案可以简单地理解为控制两个小球自己转动，但小球转动起来会干扰相邻的小球，且容易与外界环境耦合；第二种方案可以理解为两个小球之间通过一个弹簧来传递相互作用，但无法实现快速操作，也无法保证准确度；第三种方案是在两个量子比特之间通过一个可调耦合器来进行耦合，但两个小球还是要转动，这无疑大大增加了整个系统的复杂度。包括谷歌、IBM等在内的量子计算团队都尝试了这些方法，但在可扩展性方面的效果都不尽如人意。

基于可调耦合器和固定频率比特架构的两比特量子门操控方案

南科大团队在充分结合了前面几种方案的优势后，创造性地提出了一种新型的两比特量子门操控方案——在超导量子线路系统中，利用可调耦合器结合固定频率比特的架构，可以有效地解决现有的问题。“在我们的方案里，两个固定频率的量子比特通过可调耦合器来实现相互作用，也就是说这两个小球不需要旋转，只需要通过调节中间的这个辅助的可调耦合器，就可以实现两个固定不动的小球之间的一个两比特量子门操作。

权威专家预言“会成为主流方案”

南科大团队用这种新的方法，在实验中实现了快速（30ns）高保真度（0.995）的两比特量子门操作，达到了目前国际上的先进水平。据徐源介绍，其优势一是控制非常简单；二是非常有效地解决了串扰的问题，使得该方案非常容易进行扩展；三是这种基于可调耦合器的耦合方式可以实现快速高效的两比特量子门操作，同时还能达到很高的准确度；四是这样一种方案具有非常好的稳定性，使得对环境中的噪声具有很好的免疫特性。五是该方案采用了固定频率比特的架构，使得比特的相干寿命基本上不受影响，能够在量子计算过程中执行更多数目的量子门操作。

在这项工作中，南科大团队解决了一个非常重要的问题：如何在不损失扩展性的前提下获得高质量的两比特量子门操作？这也是目前实现大规模量子计算和量子信息处理的核心问题。“我们的工作为超导量子芯片的设计开拓了新的思路，将极大地推动未来量子计算的大规模可扩展发展。也很有可能使我国在超导量子计算领域实现弯道超车，达到并超越目前国际上的领先水平。”徐源表示，《物理评论快报》的论文审稿人对这个成果给予了极高的评价：“非常有前景并且会成为未来的主流方案”。