科技突破

 

在量子处理器中采用变分法制备有限温度态

 

    用量子处理器模拟量子系统的演化，需要有精确且高效的初态制备。例如在凝聚态物理中的高温超导，以及天体物理中黑洞和虫洞穿越的模拟中，都需要热平衡态、即吉布斯态作为初态。传统的热平衡态制备需要可控地将系统和热浴进行耦合，而对多体相互作用的控制是很难的。另一方面，制备吉布斯态的问题可以转化成制备热场双态，即首先制备两个相同的系统的热场双态，对其中一个系统求迹，剩下的另一个系统就处于吉布斯态。在离子阱系统中，用受量子近似优化算法启发的变分量子-经典混合算法已经成功制备了热场双态。

    近日，代尔夫特大学的研究组首次在4量子比特的超导transmon量子处理器中通过量子门电路实现了吉布斯态的制备，首先制备温度为无穷的热场双态，即两个系统对应比特间的贝尔态。用量子门模拟一维链横场伊辛模型的哈密顿量，让系统内和系统间演化交替，其优化过的电路深度为13。根据测量结果用经典计算机最小化损失函数来更新演化的旋转轴和旋转角度参数，经过迭代的梯度提升随机回归树优化，使终态逼近给定温度的热场双态。考虑串扰、噪声、退相干等因素后的理论模型可以得到和实验结果定量一致的吉布斯态保真度和纯度，并发现CZ门的泄漏是使保真度降低主要因素。该工作和离子阱系统工作最大的区别在于不需要用经典仿真和优化求参数的初猜，而是从无穷大温度、全0参数的初猜开始，逐渐减小温度，取上一个温度的优化结果作为下一个温度的初猜，从而避免了指数增长的经典仿真规模，系统可以规模化。

该工作首次用变分量子-经典混合算法通过热场双态制备了有限温度的吉布斯态，采用的方法可以扩展到现有的含噪声中等规模量子系统（NISQ），展现了用NISQ研究凝聚态和天体物理中有限温度问题的潜力。该研究工作还表明了在transmon这种弱非谐性的多能级系统中，减少两比特操作中状态泄漏的重要性。

论文信息：

https://arxiv.org/abs/2012.03895v1

IonQ的离子阱量子计算路线图

 

    近日，量子初创公司IonQ发布了其未来五年内的离子阱量子计算路线规划。该公司称将在2023年之前部署机架式模块化的量子计算机，并与其数据中心网络连接。其认为该网络连接的模块化量子计算机将为机器学习领域带来新的量子优势，以此为基础将在2025年实现“广泛的量子优势”，为多数计算问题带来量子优势。

IonQ提出了一套新的量子计算系统度量标准“算法量子比特（Algorithmic Qubits）”，其定义为一个典型量子程序可以部署的能够完美运行的最大数量量子比特，例如，IonQ最新的32比特量子系统包含22个算法量子比特，保真度为99.9%，但目前未见其它量子公司采用该度量标准。

信息源：

https://ionq.com/resources

一种三角度蒸发制备超导量子比特约瑟夫森结区的方法

 

在当前的超导量子比特制备工艺中，双角度蒸发方案是最经典的制备方法。在该经典方案中，通常分为三步工艺流程，首先通过标准的刻蚀或者剥离工艺制备量子比特的电容结构和量子芯片的其它电路结构等，然后进行双角度蒸发制备约瑟夫森结区，最后再用剥离法制备量子比特线路结构与约瑟夫森结区的搭接补丁结构。这种将结区制备和搭接补丁结构制备分离的方案，避免了早期两步法工艺中Ar+离子清洗对衬底表面的损伤，以及避免了在量子比特中串联一个寄生的大面积约瑟夫森结。而代价就是在制备结区后多了一步工艺，如下图左上角所示，需要通过补丁结构B将结区A和其它电路结构C与D进行连接，该工艺步骤也可能对量子比特引入缺陷造成退相干。

最近，来自瑞典的一个研究小组设计了一种三角度蒸发的工艺，在保持量子比特结区和搭接补丁结构分开制备的情况下，将超导量子比特制备的经典三步工艺减少为两步工艺。其工艺流程如下图右边所示，定义yz平面为芯片表面，x轴垂直于芯片表面，蒸发源则为x轴。首先将衬底绕z轴顺时针旋转45度进行蒸发得到结区的分支1，然后进行氧化得到形成结区的氧化层，再绕x轴顺时针旋转90度进行蒸发得到结区的分支2，接着通过Ar+离子清洗去除原始电路结构表面的自然氧化层，最后绕x轴逆时针旋转45度进行蒸发得到补丁搭接结构。

该研究小组采用这种三角度蒸发工艺制备了超过3600个约瑟夫森结，得到一个晶圆内约瑟夫森结室温电阻变化在3.7%以内，并测试了多个量子比特的相干特性，得到T1和T2*均超过50μs。这种三角度蒸发工艺减少了量子比特制备的工艺流程步骤，简化了工艺，降低了对量子比特引入缺陷而造成退相干的可能，有利于大规模超导量子比特芯片的集成制备。

论文信息：

https://arxiv.org/abs/2011.05230

Transmon量子计算平台受到混沌波动的困扰

 

多体系统在强外部无序的影响下，可能出现多体局域化，在强关联下，则可能出现量子混沌。Transmon阵列可以用Bose-Hubbard模型近似，无序对应量子比特间频率差，关联则对应耦合强度。量子态由于量子比特间耦合，有扩散开的倾向，需要通过量子比特之间的频率差使之局域化，此时参与计算的量子比特信息可以留在原处，系统可操控。而如果耦合过强，则会进入量子混沌，初态的信息会迅速丢失，无法进行有效计算。

近日，DiVincenzo（此人提出了量子计算机实现的5+2条准则）的研究组在代尔夫特、谷歌、IBM的超导transmon量子芯片上，基于多体局域化理论中的最新成果，用三种方法表征了混沌和多体局域的相边界。第一种是谱方法，强关联混沌状态下系统哈密顿量的谱符合Wigner-Dyson分布，无关联局域化状态则是泊松分布。从系统谱分布与这两个分布的KL散度随耦合强度和约瑟夫森能的变化，可以获得相边界。第二种是波函数方法，计算系统波函数的反比参与率，即二阶矩。该值为1对应完全局域态，值越小表示越非定域。对比发现反比参与率的结果能更准确地描述系统，因为在远未到相边界的地方混沌已经开始产生影响。第三种是Walsh变换，它是傅里叶变换的一种，可以得到计算本征态空间的关联，长距离的关联对应着非定域性，是三种方法中最直接也最准确的。数值计算发现，目前固定频率、比特间频率差较小的IBM系统在3MHz的耦合下就很接近量子混沌，可调频率与耦合强度的代尔夫特和谷歌系统，在9MHz的耦合下才接近混沌，如图所示。另外，二维阵列中每个节点的配位数越高，越容易出现混沌。

该工作首次全面地用多体局域化理论分析量子硬件信息。量子计算需要系统处于多体局域相，这对量子比特间的频率差和耦合强度做出了限制。通过演示不同方法对不同系统的定量分析，表明了已实现的系统虽然没有达到谱分析对应的相边界，但从波函数和Walsh变换的结果看已经很容易受到关联效应的影响，在设计多比特transmon系统时需要特别注意。

论文信息：

https://arxiv.org/abs/2012.05923v1

在IBM量子计算芯片上模拟马约拉纳零能模的braiding

 

马约拉纳零能模（Majorana zero modes, MZMs）是一种非阿贝尔任意子，相互之间的编织（braiding）操作是受拓扑保护的，可以实现拓扑量子计算。人们一般在超导-半导体混合体系或分数量子霍尔体系中探索拓扑量子计算，并已实现平凡拓扑相和基于测量的braiding操作，但还没有动态演化的braiding实验证据。

近日，匹兹堡大学和IBM的研究人员首次用IBM的量子计算芯片模拟了tri-junction中的braiding动力学过程。Braiding通过调节哈密顿量中的参数实现，共六步，再用Suzuki-Trotter分解把每步划分成3个时间步长进行模拟。如果采用IBM-Athens系统校准好的CNOT门作为两比特门，则每步需要16个两比特门，超出了门错误率容许的范围。因此文中采用了scaled gate，即在Hilbert空间只转pi/2的CR（cross-resonance）门，这样单个门操作速度更快，错误率更低，且利用了哈密顿量的特点，让每步的两比特门数减少到12，从而降低了错误率。结果表明，scaled gate可以成功实现braiding，而通过逐渐增大延时引入噪声，可以看到braiding成功率逐渐降低，在延时为CNOT门时长的1/4时就变成平凡的均匀分布。

该工作表明量子计算芯片已经可以实现一些有趣的量子模拟，但要得到高质量的结果，了解硬件是关键。单纯使用系统提供的数字化抽象的量子门进行软件操作可能达不到好的效果，在了解噪声的情况下对模拟的脉冲进行直接调控是更好的选择。

论文信息：

https://arxiv.org/abs/2012.11660

通过量子比特将声子晶体与传输线耦合

 

将超导量子比特与声表面波谐振器进行耦合，研究其量子相互作用，是近年来混合量子系统的一个研究热点，也开辟了量子声学动力学（quantum acoustodynamics, QAD）这一新的研究领域。利用这种混合系统，可以实现各种新型的量子器件，例如可以作为不同体系的量子接口等。

类比量子电动力学（quantum electrodynamics, QED），在QAD中声波代替了电磁波，声子则代替了光子。进行QAD系统的研究，关键之一就是声波器件，通常为机械谐振器，可以是体谐振器，也可以是声表面波（surface acoustic wave, SAW）谐振器等。该声波器件起着在QED系统中谐振腔类似的作用，并且由于声波的波长通常比电磁波短约五个数量级，因而声学器件能够做得非常紧凑。将声波谐振器与超导量子比特耦合的难点之一是两者的工作频率差别，即难以制备频率达到GHz量级的声波谐振器。

近日，来自俄罗斯的研究小组设计了一种超导量子比特同时与声子晶体和传输线耦合的系统，从而通过量子比特作为中介，实现了声子晶体和传输线的耦合。该样品制备在石英压电衬底上，主要结构即为并联叉指电容的transmon量子比特和传输线。叉指电容的周期性结构形成了一个声子晶体，作为能量转换器（interdigital transducer, IDT）产生沿纵向传播的声表面波，声子频率在GHz量级，实验中通过能谱结构观测到了声子和量子比特之间的相互作用形成的能谱免交叉劈裂

该研究实验利用石英压电材料表面周期性金属结构形成声子晶体，并验证了通过量子比特能够将该声子晶体与电磁场进行耦合。利用这种设计，可实现简单紧凑且有效的量子声学混合系统。

论文信息：

https://doi.org/10.1038/s42005-020-00475-2

精确测量体验地球心动的感觉 华科研制并交付我国首台高精度量子重力仪

 

精确测量重力加速度G，体验地球心动的感觉。华中科技大学今日对外发布，该校引力中心团队在量子重力仪研发方面取得突破，研制出实用化的高精度铷原子绝对重力仪装备，并于近日成功交付中国地震局地震研究所。

据介绍，经过市区、郊区和野外台站等多个点位的双盲测量评估，以及来自国家测绘局、中国地震局、中科院等多家单位的专家综合评定，该仪器精度达到微伽水平，受到用户好评，顺利通过验收。

重力场是人类生活的基本物理场，重力场的精密测量在深地探测、资源勘探、灾害监测预警、地球科学等领域有广泛应用，对国家经济、社会发展以及国家安全具有重要战略意义。作为我国第一台为行业部门研制的量子重力仪，其成功交付，将打破高精度重力仪国外技术垄断，为国家高端量子装备的发展提供了新途径，更能够保障核心数据的安全。

在中国科学院罗俊院士带领下，华中科技大学引力中心胡忠坤、周敏康教授团队历经15年潜心研究，攻克了物质波干涉、超低频隔振、装备小型化等量子重力仪的关键技术，于2013年将量子重力仪的分辨率提升至国际最好水平，并保持至今。

近几年，华中科技大学引力中心受到全世界关注，被国外相关领域专家称为“世界的引力中心”。该中心2019年测出世界最精准引力常数G，研究成果写入物理教科书，在聚焦前沿的同时，瞄准国家需求，研制出了自主知识产权的小型化量子重力仪装备，为量子重力仪走出实验室、服务国家需求，迈出了坚实一步。

 

来源：中国青年报

国际动态

量子计算公司CQC获新一轮4500万美元融资

近日，英国剑桥量子计算公司（CQC）宣布完成了新一轮4500万美元的融资，融资来源包括霍尼韦尔、IBM和JSR等，将利用该融资进一步加速其量子计算软件和应用的商业化。CQC公司一直专注于量子网络安全和量子化学领域，其开发的软件平台EUMEN和量子软件开发工具包t|ket>也一直用于网络安全、量子化学和材料发掘等领域，在今年也推出了相关领域的企业级软件产品。

信息源：

http://www.cambridgequantum.com/

     政策更新

多地区出台“十四五”规划与建议，前瞻布局量子科技

12月以来，山东、辽宁、北京、四川、湖北、安徽、湖南、广西、广东、江苏等10余个省，重庆、广州、济南、武汉等市陆续出台十四五规划与建议，提出加快突破核心关键技术，前瞻布局量子科技。安徽省十四五规划与建议特别提到要加快形成量子信息产业创新链，打造具有全球影响力的“量子中心”。济南市在产业、研究、基础设施方面均有提到量子科技。（来源：各省市政府官网）

国内动态

2020年量子物理与量子信息科学前沿论坛成功举办

2020年12月9日，北京量子信息科学研究院（以下简称“量子院”）主办的2020年量子物理与量子信息科学前沿论坛在线上成功举办。来自美国、英国、德国等7个国家国际著名大学和研究机构的11位顶尖专家学者，围绕本次论坛的主题“新奇量子物态研究的最新进展”进行了深入探讨。中国科学院院士、量子院院长薛其坤教授致欢迎词。来自20多个国家的1.2万余位专家学者和学生通过在线会议平台或网络直播平台参加了论坛。

国内首份“量子安全”技术白皮书正式发布

中国信息协会量子信息分会今日（12月15日）在南京举办了“2020量子安全应用开发论坛”，同时，现场发布了《2020量子安全技术白皮书》，这是国内首份量子安全白皮书。本次会议，主要探讨量子安全技术应用和产业生态情况，并绘制了目前国内外量子保密通信等主流量子安全技术的产业链图谱。