下图展示了在实验控制条件下，20个人造原子集体从零时刻起跑后的相干演化动态过程的捕捉。不到200纳秒的过程中，人造原子的集体状态历经多次变身，在不同时间点出现有不同组份数（对应球中红色圈的数量）的薛定谔猫态，最终形成2组份（同时存在两种相反状态）的薛定谔猫态。A和B图分别为理论预测和实验观察结果。C图为根据建议在新视角下对5组份薛定谔猫态的重新描绘，球中蓝色区域的出现更有力地证明了量子纠缠的存在。

浙江在线8月9日讯（浙江在线记者 曾福泉 通讯员 涵冰）浙江大学、中科院物理所、中科院自动化所、北京计算科学研究中心等国内单位组成的团队通力合作，开发出具有20个超导量子比特的量子芯片，并成功操控其实现全局纠缠，刷新了固态量子器件中生成纠缠态的量子比特数目的世界纪录。这一进展8月9日发表于《科学》杂志。

多比特量子纠缠态的实验制备是衡量量子计算平台控制能力的关键标志，国际竞争尤为激烈。经过近两年时间的器件设计与制备、实验测控及数据处理，由中国学者组成的联合团队成功将纠缠的比特数目推进到20。

浙大物理系博士生宋超、中科院物理所许凯副研究员和博士生李贺康为论文共同第一作者。中科院物理所范桁研究员、郑东宁研究员和浙大王浩华教授为共同通讯。其他作者包括浙大王大伟教授、朱诗尧院士，中科院自动化所蒿杰研究员、冯卉助理研究员，北京计算科学研究中心张煜然博士，以及浙大物理系参与超导量子计算和量子模拟实验平台建设的青年团队。

论文的其中两位共同第一作者宋超（左）和许凯在量子计算实验平台边。卢绍庆　摄

摇篮中的量子计算机

蕴藏惊人伟力

关于量子计算机的梦想始于上世纪80年代。1982年，著名物理学家费曼提出设想：既然自然的本质是量子的，我们能否造出一台遵循量子规律的计算机，去更好地认识量子世界？人们意识到，量子计算机的技术一旦成熟，它的运算能力将远远超越经典计算机。

计算机使用“0”和“1”进行信息存储与处理。在经典计算机里，一个比特就如一个普通开关，或0或1。量子计算机则完全不同，由于量子纠缠与叠加，一个“量子开关”可以同时代表0和1，我们称之为量子比特。想象一下，一枚摆在桌上静止的硬币，你只能看到它的正面或背面；当你把它快速旋转起来，你看到的既是正面，又是背面。于是，一台量子计算机就像许多硬币同时翩翩起舞。

量子比特数，是衡量量子计算机性能的重要指标之一。通过量子纠缠与叠加，n个量子比特相互关联，可以生成2n种状态。也就是说，一个含有n个比特的经典存储器可以存储2n个可能数据当中的任意一个，如果它是量子存储器，则可以同时存储2n个数。相当于2n个经典计算机的CPU同时工作。每增加一个量子比特，量子计算机的运算能力将以指数倍增加。有报道指出，一台30个量子比特的量子计算机的计算能力和一台每秒万亿次浮点运算的经典计算机水平相当，是今天经典台式机速度的一万倍。人们相信，一旦量子比特数达到50以上，它就能在处理某些特定问题时展现超越超级计算机的运算能力。

人类差不多用了70年的时间，见证了经典计算机从笨重又不稳定、动辄占据整个实验室、浑身布满机械阀门的机器发展到便携的个人电脑、智能手机；但还有许多经典计算机很难甚至无法完成的运算。我们完全有理由期待，在未来几十年内，量子计算机能从理论走向应用，完成经典计算机无法解决的大规模计算难题，在密码破解、药物设计、人工智能等领域大显身手。

然而，在澎湃的想象面前，实验室中的原型机仍像摇篮中的婴儿，到其长大成人发挥作用还需有漫长不懈怠的培养过程。近年来，不论是单个量子比特的相干性、量子门的保真度，还是量子芯片的集成度、全局纠缠态的制备规模，都在稳步提升。此前，中国科技大学的研究团队创造了操纵12个超导量子比特实现纠缠的纪录。如今，这个数字被刷新，人类能够同时精确操控20个超导量子比特进行工作。

在浙大超导量子计算和量子模拟实验室奋斗的青年们，包括即将入学和刚毕业不久的博士生，他们是科研创新的源动力。实验室供图

187纳秒、20个人造原子

构造“薛定谔猫”

浙江大学西溪校区西面的一幢教学楼，狭长的过道深处就是浙江大学超导量子计算和量子模拟团队的实验室，超导量子比特芯片设计、平台搭建、测控工作都在这里完成。拔地而起的钢架，错综复杂的管线、密集叠放的电路板、嗡嗡作响的制冷机……博士生宋超介绍道，整个房间就是一台量子计算机，它的“大脑”就在一个直径80厘米的圆柱形大“冰箱”的底部。

借助于显微镜，这1平方厘米的“大脑”——超导量子比特芯片露出真容。20个量子比特，均匀分布于中心谐振腔的周边，犹如由中心枢纽贯通的各个支路。“这是我们实验室迭代的第四代电路设计方案，目标是让任意两个量子比特之间都能进行直接‘沟通’，实现全局纠缠。”芯片的设计者之一，本科生张叙说。这样的芯片则是由中科院物理所李贺康博士制备的，他在近期作为博士后加盟浙大，有望在浙大微纳加工中心做出更复杂的芯片。

全局纠缠，通俗的理解就是让所有量子比特协同起来参与工作。量子操纵是量子计算的技术制高点，而实现全局纠缠是检验操纵是否成功的标志。“能够非常高精度地操控他们，然后同时还能保持质量稳定，这是一项难度极大的挑战。”许凯介绍说。许凯6年前到浙大读研开始涉足超导量子计算领域，去年获得博士学位并加盟中科院物理所开始组建自己的实验室。

实验团队利用这一芯片生成并标定了18比特的全局纠缠的GHZ态，以及20比特的薛定谔猫态。“我们确实看到了在经验世界中看不到的现象，更形象地说就是——一只由20个人造原子构成的‘猫’，薛定谔猫态。”宋超说。

“薛定谔的猫”是著名物理学家、量子理论奠基者之一薛定谔提出的一个思想实验，他用一种极为通俗又让人印象深刻的方法，把量子世界中的“叠加态”引入到经验世界：用放射性的镭的衰变来控制杀死猫的机关，根据量子理论，镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加态，因此猫也处于被杀死和还活着两种状态的叠加态。

“薛定谔的猫”是影响最大的量子理论相关概念之一，浙大团队将这一思想实验带进了现实。在短短187纳秒，也就是人眨一下眼所需时间的百万分之一的瞬间里，20个人造原子从“起跑”时的相干态，历经多次变身，最终形成同时存在两种相反状态的纠缠态。论文标题中，团队用了“薛定谔猫态”来描述捕捉到的现象。操控这些量子比特生成全局纠缠态，标志着团队能够真正调动起这些量子比特。

正是这“璀璨”的187纳秒，见证了人类在量子计算的研究道路上又迈进了一步。

竞逐热点领域

我国进入量子计算机研究第一梯队

量子计算机的研发是国际科技竞争的热点领域。谷歌、IBM、微软、英特尔、华为、阿里等高科技公司都为此投入大量研究力量。当前，实现量子计算的物理体系主要有光学系统、离子阱和量子点等微观体系，基于宏观约瑟夫森效应的超导电路由于其在可操控性和可扩展性等方面的优势，是目前国际上公认的有希望实现量子计算的几个物理载体之一。

近年来，浙江大学物理系的超导量子计算和量子模拟团队一直致力于超导量子计算和量子模拟的实验研究。2017年，团队与中科大潘建伟和朱晓波团队、中科院物理所郑东宁团队、福州大学郑仕标教授等合作10比特超导量子芯片，实现了当时世界上最大数目的10个超导量子比特的纠缠，打破了之前由谷歌和加州大学圣塔芭芭拉分校保持的纪录，使得我国在量子计算机研究领域进入国际第一梯队。

“与世界上其他的超导量子芯片相比，我们研发的芯片拥有一个显著特点，那就是所有比特之间都能够进行相互连接，这能够提升量子芯片的运行效率，也是我们能够率先实现20比特纠缠的重要原因之一。”许凯总结道。

据介绍，该工作最早于5月1日公布于预印本网站。第二天，团队就收到了一封来自英国教授的邮件，对实验结果表示了赞赏。“他在信中提供了很好的研究建议，我们用他的方法补充了实验，更加充分地验证了我们的研究成果。”宋超说，在《科学》杂志的论文中，研究团队特意致谢了这位素未谋面的英国教授。

5月14日，美国IBM超导量子计算团队和哈佛大学里德堡原子团队也在预印本网站公布了类似的实验结果。三个工作报道的纠缠比特数目基本持平，反映了以纠缠态制备为代表的多量子比特相干操控是目前努力的主要方向。

本研究得到了浙大“双一流”建设专项经费、国家重点研发计划、国家自然科学基金和中科院重点研究计划的支持。

链接

盘点世界各国 量子信息技术战略

　　●美国

　　美国是最早将量子信息技术列为国防与安全研发计划的国家。早在2002年，美国防部高级研究计划局（DARPA）就制定了《量子信息科学与技术规划》，并于2004年发布2.0版，给出了量子计算发展的主要步骤和时间表。2008年，DARPA斥巨资启动名为“微型曼哈顿计划”的半导体量子芯片研究计划，甚至将量子计算研究列为与原子弹研制同等重要的高度。

　　近年来，随着多个国家在量子信息技术领域的快速进步，美国愈发重视量子信息技术的发展。2016年7月，美国国家科学技术委员会发布《推进量子信息科学：国家的挑战与机遇》报告，认为量子计算能有效推动化学、材料科学和粒子物理的发展，未来有望颠覆人工智能等诸多科学领域。2018年6月，美国众议院科学委员会高票通过《国家量子倡议法案》，计划在10年内拨给能源部、国家标准与技术研究所和国家科学基金12.75亿美元，全力推动量子科学发展。

　　●欧盟

　　作为量子理论的发源地，欧洲高度重视量子信息技术对国家安全、经济发展等方面的影响，投入众多资源大力发展相关技术。2005年，欧盟发布《欧洲研究与发展框架计划》（第七框架计划）并提出专门用于发展量子信息技术的《欧洲量子科学技术》计划和《欧洲量子信息处理与通信》计划，成为继欧洲核子中心、航天技术后的又一次大规模国际合作。

　　2016年3月，欧盟委员会发布《量子宣言》，计划斥资10亿欧元推动量子技术期间计划，旨在培育形成具有国际竞争力的量子工业，确保欧洲在未来全球产业蓝图中的领导地位。量子技术旗舰计划聚焦在量子通信、量子传感器、量子模拟器和量子计算机4个细分领域，分别开展短中长期研究。

　　●英国

　　英国一直以来高度重视量子信息科学的基础研究，基于前期研究成果近年来正逐步向基础研究和商业应用并重转变。2015年，英国政府发布了《量子技术国家战略》和《英国量子技术路线图》，将量子技术发展提升至影响未来国家创新力和国际竞争力的重要战略地位。“路线图”给出量子计算机、量子传感器和量子通信在内的每项量子技术可能的商业化时间和发展路线图。

　　2016年12月，英国政府科学办公室发布量子技术报告《量子技术：时代机会》，提出建立一个政府、产业、学界之间的量子技术共同体，使英国能在未来的量子技术市场中抢占世界领先地位，实质性地提高英国产业的价值。