量子計算的前景令人期待，它在基礎科學研究、新材料和藥物研發，類腦人工智能技術開發等領域均具有潛在應用價值。然而，超導量子芯片的長退相干時間和高控制精度等方面的缺陷仍是科學家關注的重點。

近日，中國科學院物理研究所固態量子信息與計算實驗室研究員范桁、副研究員許凱，與中國科學院物理研究所量子計算研究中心研究員鄭東寧、副主任工程師相忠誠等通力合作開發了超40比特的一維超導量子芯片，以戰國時期思想家和哲學家“莊子”命名，并利用其成功模擬了“侯世達蝴蝶”能譜以及各種新奇拓撲零模式。相關研究成果發表于《物理評論快報》雜志。

“莊子”芯片誕生記

在科學家看來，大規模的量子計算正在朝著實用化的方向發展，要想實現實用化，需要操縱精確、比特數多、相干時間長、效率足夠高。在這個過程中，量子芯片的設計、制備和測控至關重要。

相忠誠長期從事超導量子芯片制備，他告訴《中國科學報》，與傳統的芯片相比，量子芯片對外界環境的擾動非常敏感，“量子芯片是一種非常脆弱的系統，穩定時間非常短，在芯片上運行量子算法就好像是在夏日里堆雪人，需要足夠的速度能趕在雪融化之前把雪人造出來。通常超導量子芯片的相干時間大約在幾十微秒量級，這意味著量子效應維持的時間只在短短一瞬間，所以我們要在很短的相干時間尺度內精確執行完量子算法是比較困難的。”

借助中國科學院物理研究所位于懷柔的綜合極端條件實驗室的超導量子計算實驗平臺，鄭東寧與相忠誠經過在器件設計和制備的實踐中反復摸索思考，不斷改進和優化器件的設計方法和制備工藝，完成了43比特一維超導量子芯片設計和制備，芯片中整體比特參數與設計值的一致性，總體退相干時間、制備良品率、測控信號的串擾、寄生模式的消除和量子狀態的易讀性等都獲得了大幅度提高。部分比特退相干時間可達到百微秒量級。

觀測“侯世達蝴蝶”(Hofstadter butterfly)能譜（受訪者提供）

該工作設計并構建了多達41個量子比特的對角AAH模型的各種實例，并應用動態光譜技術實驗測量了著名的“侯世達蝴蝶”能譜。由于對角AAH模型的拓撲特性，出現了“翅膀形狀”的能隙，整個能譜圖看起來就像一只翩翩起舞的蝴蝶，讓人不禁聯想到戰國時期莊周夢蝶的故事，這也是該量子處理器命名的由來。

因為“莊子”處理器擁有足夠多的量子比特，有限尺寸效應的影響被極大地抑制，“蝴蝶”身體細節中的分形結構和能帶的分裂也被清晰地展示出來。

零下200余度的實驗

量子芯片是第一步，利用多個超導量子比特模擬各種量子效應也是當前人們關注的前沿研究。

這枚芯片如指甲蓋大小。拿到芯片后，許凱和團隊成員立刻開始進行量子芯片測控，開展量子模擬實驗。許凱告訴《中國科學報》，“量子模擬，就是通過調控量子芯片構建一些重要的多體模型，從而實現對真實物質或材料體系的各種新奇物理和特性進行仿真和計算，以解決在能源，材料等領域的一系列重要問題。”

超導量子計算芯片在常溫下無法工作，需要在極低溫環境中，避免熱量（噪音）對量子態進行干擾。

研究人員將芯片封裝進盒子中，并放入稀釋制冷機中降溫至10mK，制冷機的溫度比絕對零度（零下273.15℃）僅高了0.01℃，這種極低的溫度可以使芯片轉變為無損的超導態并有效抑制芯片周圍的環境噪聲和熱噪聲，從而呈現量子效應，科研人員也才能更好操控量子效應。

操控芯片的過程并不輕松。在實驗室，數十臺儀器微波脈沖信號與“芯片”相連，研究人員在自己開發的軟件平臺上編寫程序控制儀器，給芯片發出“指令”，從而“操縱”芯片。“指令”發出的時間達到了納秒級別。

“我們需要經過非常精細地優化每個量子比特的調控參數和它們之間的相互作用，這個過程就需要準備兩個月”，許凱說，通過促使程序實現自動化的參數搜索，做自動化的操控，未來的研究會更加高效。

由于“莊子”量子處理器中有超過40個量子比特，這足以讓研究人員能夠在這個重要的一維量子多體系統復雜的能帶結構中捕捉到它的大量拓撲特征。使用由高度可控的Floquet（周期驅動）調控技術輔助的超導量子處理器，該工作建立了一種通用的混合量子模擬方法來探索含噪聲中等規模量子時代的量子拓撲系統。

前景廣闊 需要人才

許凱和相忠誠及其所在團隊長期致力于超導量子計算、量子模擬和量子器件等方面的實驗研究，取得了諸多領先的成果。

但在他們看來，前景廣闊，未來還有很長的要走。

“雖然目前量子芯片只能完成一些特定的任務，并且還未達到超越經典計算的量子優勢，但是通過量子模擬的實驗可以積累各種操控技術，并探索和展示出量子計算的各種應用場景，這對于未來量子計算機的實現和應用都是非常有價值的。”許凱說。

在科研人員看來，與國際上最好的團隊相比，我國在量子計算方面目前還存在一定的差距。在許凱看來，量子計算是一個交叉學科，需要各方面的人才，他們迫切地期待新鮮血液加入量子團隊。“需要建立全方位的生態。但還是得尊重科學發展的自然規律，一方面要加快實驗的節奏，另一方面也不能太急。”許凱說。