如何评价我国实现 18 个量子比特纠缠,再次刷新世界纪录?

如何理解这个成就,有哪些意义和影响?
原文:我国实现18个量子比特纠缠 再次刷新世界纪录
新华社合肥7月2日电(记者徐海涛)多量子比特的操纵和纠缠是量子计算研究的核心指标。记者从中国科学技术大学获悉,近期该校教授潘建伟及其同事陆朝阳、刘乃乐、汪喜林等通过调控六个光子的偏振、路径和轨道角动量三个自由度,在国际上首次实现18个光量子比特的纠缠,刷新了所有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录。国际权威学术期刊《物理评论快报》日前发表了该成果。
论文链接:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.260502
已邀请:

SoloArtist

赞同来自:

谢邀
这篇文章利用了光子的三个自由度做编码, 用六个光子完成了十八比特GHZ态的制备和表征, new point在于单光子三个自由度. 这是什么意思呢? 对于一个光子, 它可以有很多个方面的性质, 例如偏振方向, 传输方向, 频率, 轨道角动量状态等, 这些性质都可以作为量子比特编码. 这篇工作, 利用了光的偏振, 动量, 轨道角动量作为编码比特, 一个光子充当了三个比特, 用六个光子完成了18 qubit GHZ态
的制备, 并利用一些很精巧的手段,完成了对这个GHZ性质的标定, 技术上讲, 更困难的是后者.
说到意义, 看下面有回答在喷, 也有说这个工作是标题党的, 但是无法否认的是这篇PRL的审稿过程异常顺利, 投出去的稿件几乎没做任何修改(只是被建议引用一个最近离子阱中20 qubits工作)直接接收.
谈到这篇工作的意义, 新闻中说法固然也没啥问题, 换个角度看也只能那么写, 写一堆很technical的point公众看起来更不知所云. 在知乎上可以更偏技术地讲一讲: 这个工作意味着, 我们可以在线性光学体系中完成更精确的态调控, 从而使得从前不可能完成的任务变为可能, 这是量子光学实验技术上的一个突破. 这篇文章中对于OAM(optical orbital angular momentum, 光学轨道角动量)qubit的测量利用了两个自由度间的CNOT门, 其中一个是Dove棱镜结合干涉仪实现的. 而通常在多光子干涉实验中, 实验对于干涉仪两臂间光程差的精确度和稳定性要求极高, 甚至大气扰动都可能对干涉仪的对比度产生重大影响. 这篇工作利用胶合技术将分立元件构成的干涉仪小型化, 做成module用于光路中, 将干涉稳定性问题解决掉了. 也正是因为这一点, 这个工作在用了一共30个干涉仪的情况下依然能够将测量出的纠缠态保真度保持在0.7以上(对于GHZ态, 0.5是纠缠判据的阈值, 当年离子阱中14-qubits实验该保真度<0.5, 只能达到提纯判据).
18-qubit纠缠这样一个工作, 本身就在量信领域极具新闻价值, 精确制备GHZ态代表了态的调控能力, 除了量子计算, 这一点对于quantum foundation等更多很physical的方面也有一定意义, 再加上这篇工作中所使用的技术, 基本都是多光子干涉领域最优的方案(包括很多原创idea), 能够以编辑推荐(大约占PRL文章总数的10%)发表在PRL上很正常.
最后再扯一扯: 能够精确制备量子态在当前的量子信息领域仍然是一件非常困难的事情, 也正是因为这一点, 高保真度的通用可编程量子计算机非常困难. 于是大佬Preskill才提出了量子霸权(quantum supremacy)这样一个概念(也就是google等公司宣称的量子称霸), 其大致意思是, 高保真度通用可编程量子计算机任重道远, 但是在发展的途中还是要有一些里程碑的, 我们可以先挑选一些和实际量子系统演化overlap多一些的复杂问题(经典计算复杂的问题), 它描述了一个完全可测可控的量子系统, 解决这个问题只需让我们的量子系统演化, 然后读出结果即可. 这样一个与所解决问题高overlap的物理系统, 在演化过程应当是无需纠错的, 故实验难度大大降低, 我们先在这么一个更feasible的体系中干掉经典计算机, 证明量子机器在计算方面的实力.
而多量子比特的GHZ态制备和量子霸权并不在一个维度, 它代表了精确制备量子态的能力, 这在实验上是十分困难, 感兴趣的可以去查一查文献, 看看其它体系中GHZ最高做到了多少, 保真度是多少.

LoserWu

赞同来自:

我发现还是有人不太清楚google的72 qubit和潘老师这个工作的差别?那我就来说说这个问题吧。。希望没有太偏题。

不同语境下的qubit不能直接做比较啊。媒体为了宣传学界的工作,必须简化一些名词,抓住重点。但是这样一来,就产生了两个误解。
一、物理qubit和逻辑qubit不一样。
现在一般新闻上说的都是物理qubit,而preskill在QUANTUM COMPUTING AND THE ENTANGLEMENT FRONTIER里面提到的是:

We therefore hope to hasten the onset of the era of quantum supremacy, when we
will be able to perform tasks with controlled quantum systems going beyond what
can be achieved with ordinary digital computers.

就是说,量子霸权(quantum supremacy)是指能在量子系统里面做一些经典计算机上面做不了的事情。也就是在这个基础上大家说50 qubit,因为
大概就能超过当前的经典计算机。但其实上这里指的是逻辑qubit,而不是物理qubit。我们并不能把物理上的qubit数量直接当作算法中用的qubit数量。因为我们的qubit的操作并不完美,甚至是把qubit放在那里,它也会慢慢变化。所以我们需要引入一些额外的qubit来辅助,实现探测错误,纠正错误。这会使得逻辑qubit和物理qubit不是一一对应的关系。对比过来,就是经典计算机中,需要引入辅助bit来实现CRC校验,继而纠错一样,当中会引入很多多余的bit。
实际上,preskill现在更喜欢提NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum)Quantum Computing in the NISQ era and beyond

For this talk, I needed a name to describe this impending new era, so I made up a word: NISQ. This stands for Noisy Intermediate-Scale Quantum. Here “intermediate scale”refers to the size of quantum computers which will be available in the next few years, with a number of qubits ranging from 50 to a few hundred.50 qubits is a significant milestone, because that‘s beyond what can be simulated by bruteforce using the most powerful existing digital supercomputers.

可能觉得量子霸权的50 qubit被误解,媒体宣称已经达到量子霸权让自己很尴尬吧。只好提一个NISQ把50 qubit作为起点了。

大家可以看到,要同时达到很低的错误率(这样辅助纠错的qubit才能少,能用上的qubit才能多),和很高的qubit数量,才能实现真正有用的纠错量子计算。

结论就是这个地方的72qubit和18qubit都还是物理qubit,其实并不能做太多有用的事。(区分一下物理qubit和逻辑qubit,主要是反驳说几十qubit就可以用来吃鸡的某答案。)

二、不同体系的qubit不能直接比较

72 qubit和18 qubit具体指的东西都不太一样,很难说一个比另外一个强的。。
google做的是造了一个有72 物理qubit的芯片(参考下面这张图https://ai.googleblog.com/2018/03/a-preview-of-bristlecone-googles-new.html,其中每个X是一个物理qubit)。

然后其中蓝色的是数据qubit,绿色的是测量qubit。google通过这种方式呢,可以通过测量qubit检测数据qubit的错误(还不是纠错,只是检测错误而已)。
根据https://ai.googleblog.com/2018/03/a-preview-of-bristlecone-googles-new.html的说法,google的72 qubit的基本原理是和9 qubit的差不多的。

The guiding design principle for this device is to preserve the underlying physics of our previous 9-qubit linear array technology, which demonstrated low error rates for readout (1%), single-qubit gates(0.1%) and most importantly two-qubit gates (0.6%) as our best result. This device uses the same scheme for coupling, control, and readout, but is scaled to a square array of 72 qubits.

而且只有9 qubit的有文章,所以就直接用9 qubit的来介绍啦。
State preservation by repetitive error detection in a superconducting quantum circuit参考文章里面的示意图。

看图c的话就会知道,初始输进去一个编码在蓝色(数据qubit)上面的态,然后绿色(测量qubit)初始化为
。当数据qubit有变化的时候,因为相邻的数据qubit都有个CZ门作用在中间的测量qubit上嘛,然后考虑只有一个数据qubit变化了,测量qubit的测量值就不再是0。然后就可以把输出态的测量值全部输进电脑,根据测量qubit的值来纠正数据qubit的值。这样就实现了纠错了。
当我们把这个体系(叫做surface code)做大,首先是变成二维,二是扩大物理qubit的数量之后。我们就可以在上面,做一些更复杂的,qubit与qubit之间的,带检测错误的门操作了,继而也就可以实现纠错量子计算。当然,这是很理想很理想的想法。如果真的这么容易,可以看图b,量子线路无非就是一些电路板上的刻蚀和物理qubit而已,随便增加数量,有啥难的?
但是现在量子线路规模做不上去的原因很大原因就是因为,线路规模一大,线路中任意物理qubit和物理qubit之间的操作正确率就会下降。因为很难直接实现任意两个物理qubit之间的直接作用,只能像surface code这样,实现相邻的物理qubit的作用,然后一点一点传递,间接的作用在任意两个物理qubit之间。这样一来,量子门的数量就会增加非常多,总体的保真度(可以看成是正确率吧)就会下降到无法接受。所以不同的物理体系,系统结构之间门的保真度不一样,甚至想要实现的目标也不一样。这个时候去比较物理qubit的数量是不合理的。
就拿D-Wave来说,他们的量子退火机在17年就达到了2000物理qubit。但是你不能就说他们吊打全世界其他所有研究组吧。。物理体系,系统架构不同,直接谈物理qubit数量是不公平的。所以也不能直接比较google的72 qubit芯片和潘老师的18 qubit纠缠的工作。

三、如果我一定要比较呢

如果一定要比较不同物理系统,不同系统架构。那么不是不可以,我们可以通过对qubit的操控程度来比较。毕竟,一个真正的通用量子计算机是要求实现对qubit的任意操控的。那么用什么来衡量对qubit的操控程度呢?可以看系统能够实现GHZ态的最大qubit数量以及最后的保真度(设想的GHZ和实际结果之间的差距)。
GHZ态是一种纠缠态,


对于潘老师的实验,就是在一个光学系统中实现了6光子3自由度的纠缠

也就是实现了
,然后是0.7的保真度。
那么google呢?
首先对于9 qubit的芯片,是可以实现GHZ态的

对于9 qubit的系统,文章也得到了一些实验结果,实现了

的0.82保真度。
而对于72 qubit的芯片,应该有能力制备超过18 qubit的GHZ态。而我们并没有看到(应该是做了尝试,但是保真度太低,达不到基本要求),而且18 qubit的GHZ纠缠也确实是所有物理体系中目前的最大记录。

四、讨论

潘老师的18 qubit工作实现了目前最大数目的量子纠缠,可以说是很好的结果。
google的72 qubit不能直接和潘老师的18 qubit比较谁大,但是如果一定要比较,在实现最大GHZ态,潘老师这边的结果更好。
从其他方面来看,google的72 qubit工作也非常的好,所以就不要关公战秦琼啦。





ssua zhang

赞同来自:

首先,祝贺潘教授团队的突破成就,加油!
然后我想提个科普方面的问题,因为谷歌在今年年初发布了72量子比特的处理器,现在主要是研究如何取得更高的计算可靠性(实用性)。而18量子纠缠比特被称为记录的话,说明谷歌的72量子比特处理器不需要实现高数目的纠缠态就可以实现量子计算功能,而这貌似和报道里特别强调的纠缠态数目对于量子计算的关键作用(原文“核心指标”)不符。
能不能请相关专业人士科普一下纠缠态数目对于量子计算算力的意义?我的理解是貌似存在纠缠是必要的,但数目不太相关。。。 如果是如此的话,高纠缠比特数在什么应用是关键的,或者说决定性的。(希望不是只在理论研究上有用)
感谢了。
匿名用户

匿名用户

赞同来自:

信息熵与能量熵的分水岭, 是量子计算最终的理论阈值.

量子的数量并不重要, 如果要实现全状态的量子纠缠, 18比特(6个3自由度)可以实现2^18的遍历搜索能力, 如果是全状态的, 则可以称为18比特的量子计算, 不然, 只是量子纠缠的话, 是链状的, 还是全耦合的.

文章内容还很不清楚. 所以, 静等更详细的信息.
匿名用户

匿名用户

赞同来自:

量子计算机被媒体炒作的过热了,还是让子弹飞一会儿,低调无大错了
匿名用户

匿名用户

赞同来自:

谢邀,不想评价。昨天扫了眼上周的 PRL 就发现该组被接收了一篇,想了想好像没见过新闻,还特地去百度新闻搜了一下发现没有。结果第二天一看又新闻铺天盖地了......

lkf181

赞同来自:

国民的素质是提高了!上CCTV-1 新闻联播的消息也不轻易相信了....作为吃瓜群众,无力分辨孰是孰非,多些宽容,多些耐心......

Batman

赞同来自:

我觉得文盲们先了解下什么是量子计算机在看这个问题吧,很久前就有人科普过了。

半仙

赞同来自:

这么多不懂装懂的吗。
首先,这篇新闻就是标题党,谷歌的72个物理qubit比潘的18个物理qubit高了不止一截。不能纠缠的根本不会被称作量子芯片。
其次,之所以72个物理qubit不能形成量子霸权,因为这是物理qubit而不是逻辑qubit,还需要有很复杂的纠错机制,暂时无法实现。

中国移动我不动

赞同来自:

能不能通俗的解释一下,18个量子纠缠不清?

贝利马列斯里贝金

赞同来自:

谢邀 其实不想答这个问题 工作是个好工作 但是也就是一篇prl而已 国内一年上百篇的prl 就因为挂上了某学术明星的名字就值得大势报道吗
线性光学系统早就被证实根本无法做通用量子计算 老美在这个领域的经费都停了快十年了吧 就留下一个潘老师的同门兄弟paul kwiat来做做量子精密测量什么的
就因为好发文章 国内很多科研机构还对这个方向趋之若鹜 当然这是科研评价系统的问题 这次芯片的事情 国家也意识到了科研评价体系有问题 现在已经在往好的方向走了
这里不是否定潘老师 他们在冷原子方向做出了很多杰出的成果 现在也在把重心转移到超导量子计算和芯片上面 真心希望朱晓波王浩华们潜下心来安心做几年学术 力争早日超越google和ibm

庄建西

赞同来自:

应该在量子物理学方面加大投资力度。因为这里有打开未来世界的大门。生物体确实存在有量子纠缠量子物理现象,存在另外一个时空的现象。现代科学无法解释清楚,究其原因是科学不认可有无形态物质存在,认识不到量子物理的背后有无形态物质在起作用。现在我们暂时假设中国哲学说的无形物质是存在的,很多疑难问题都可以得到很好的解释。无形态物质是彻底自由运动的物质(能量),这样通过量子计算机运算过程中量子激烈的自由运动,就可以产生出一种类似生物体才有的自由势能。由于彻底自由的物质是多维时空的物质,就能让物体在两个时空之间转换。就可以产生直接输入人体的能量,减少粮食消耗。详细论述请看《系统逻辑思维》一书。或者《宏观物理学基本原理》一书。

黎宁

赞同来自:

首先指出,媒体报道不全面,至少写稿的小编不懂量子计算机,也没有去问真正懂的人(我也不真正懂 我的水平只能看出来小编不懂)。
其次,18量子比特纠缠和18个量子比特不是一个东西,难度差别很大。
最后,据我所知,我国在量子计算机技术上算是有领先优势,但并无卵用。假设一台可以投入使用的量子计算机,需要的技术积累是100,那么中国可以说完成了0.1。而美国是0.09。随时都有超车的可能。

losing

赞同来自:

很多人过于纠结于欧美技术强还是中国技术强
但是我感觉他们玩的不是一个方向 简单来说谷歌他们的目标是运算能力 这个技术呢将来可以暴力破解任何密码 因为运算能力强
而潘教授钻的是量子通讯的编译校对部分
这个技术可以做到无法破译 因为a点至b点路程每一次查看都会让结果不同 所以现在来说这是完美的保密 但是呢 这也不是完美的通讯 为什么?因为每一次半路被偷听 截取数据会改变整个数据包 所以如果别人不想偷听只想让你们无法通讯的话容易很多 不停的偷听就可以了呀 会导致你每一个数据包都是错误的
由于双方的目标不一致 单单比较数量是没有意义的
我也不是很懂。只是我看过一本科普书叫做 “上帝掷骰子吗?” 然后我在网易公开课上看到过中国关于量子通讯的公开课 然后根据网上各种帖子瞎猜的

能穿越就好了

赞同来自:

不是很久以前就传天朝量子无条件传输能传活物了嘛!天朝在量子研究上确实是很超前的。
匿名用户

匿名用户

赞同来自:

还记得多年前一位大神好好科普了一下量子计算的现状,结果……

redLi

赞同来自:

吃瓜群众表示,赶紧做世界第一的通信/计算机,我准备好钱袋子了

要回复问题请先登录注册