隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，真正的多量子比特糾纏的可擴(kuò)展生成對于量子信息技術(shù)的基本利益和實(shí)際應(yīng)用都很重要。一方面，多量子糾纏表現(xiàn)出量子力學(xué)的預(yù)測與局域?qū)崿F(xiàn)之間的強(qiáng)烈矛盾，可用于量子到經(jīng)典轉(zhuǎn)變的研究。另一方面，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模糾纏是量子系統(tǒng)質(zhì)量和可控性的標(biāo)桿，對于實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算至關(guān)重要。然而，在最先進(jìn)的量子設(shè)備上可擴(kuò)展地生成真正的多量子糾纏可能具有挑戰(zhàn)性，需要精確的量子門和高效的驗(yàn)證協(xié)議。
基于此，中科大潘建偉等人展示了一種用于在66量子位超導(dǎo)量子處理器上準(zhǔn)備和驗(yàn)證中等規(guī)模的真實(shí)糾纏的可擴(kuò)展方法。作者使用高保真度并行量子門，并將并行單量子位門和雙量子位門的保真度分別優(yōu)化為 99.91% 和 99.05%。通過有效的隨機(jī)保真度估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了51量子位一維和30量子位二維簇狀態(tài)，并分別實(shí)現(xiàn)了0.637±0.030和0.671±0.006的保真度。在高保真簇態(tài)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步展示了用于擾動平面碼的基于測量的變分量子本征求解器的原理驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)。該工作提供了一種可行的方法來準(zhǔn)備和驗(yàn)證數(shù)百個(gè)量子位的糾纏，從而利用超導(dǎo)量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中等規(guī)模的量子計(jì)算。
多量子位糾纏
作者提出了一項(xiàng)系統(tǒng)研究，以準(zhǔn)備具有不同系統(tǒng)大小的一維和二維簇狀態(tài)，并驗(yàn)證最多51個(gè)量子位的真正糾纏。實(shí)驗(yàn)的成功依賴于實(shí)驗(yàn)和理論的改進(jìn)。首先，在具有可調(diào)耦合架構(gòu)的高性能二維量子處理器上實(shí)現(xiàn)了高保真并行雙量子位門，顯著減少了生成糾纏的操作時(shí)間。其次，應(yīng)用了高效、準(zhǔn)確的讀數(shù)校準(zhǔn)過程，消除了大部分錯(cuò)誤。第三，使用隨機(jī)保真度估計(jì)來驗(yàn)證真正的糾纏，這顯著減少了狀態(tài)驗(yàn)證的測量數(shù)量。這些改進(jìn)使得能夠使用近期量子器件一致地生成和驗(yàn)證真正糾纏的一維和二維簇狀態(tài)。

圖1? 集群狀態(tài)的生成和驗(yàn)證
量子處理器性能
作者在具有可調(diào)諧耦合結(jié)構(gòu)的66量子位超導(dǎo)量子處理器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。利用最先進(jìn)的量子器件的先進(jìn)功能，包括可調(diào)諧耦合器的設(shè)計(jì)和倒裝芯片技術(shù)的應(yīng)用，在柵極操作期間實(shí)現(xiàn)了超低串?dāng)_。因此，可以同時(shí)在相鄰的量子位對之間應(yīng)用CZ門。使用可調(diào)諧耦合器來執(zhí)行CZ門，獲得了高保真并行門，這種高水平的量子門保真度為生成真正的多量子位糾纏態(tài)提供了基礎(chǔ)。

圖2? 量子處理器的性能
一維和二維簇狀態(tài)的生成和驗(yàn)證
作者首先準(zhǔn)備了具有3至51個(gè)量子位的一維簇狀態(tài)，展示了其拓?fù)錉顟B(tài)。作者繪制了生成的3至51量子位一維簇狀態(tài)的保真度，觀察到不同尺寸的估計(jì)保真度均高于0.5。特別是，51量子位簇狀態(tài)的保真度為0.637±0.030，置信區(qū)間為99.7%。接下來，考慮了二維簇狀態(tài)的準(zhǔn)備和驗(yàn)證?？紤]了5到30個(gè)量子位的2D簇狀態(tài)的準(zhǔn)備。不同尺寸的估計(jì)保真度均高于0.5，30量子位2D簇狀態(tài)的保真度為0.671±0.006。

圖3? 真實(shí)一維和二維簇狀態(tài)的生成和驗(yàn)證
擾動平面碼MBVQE的原理驗(yàn)證
高保真簇態(tài)的準(zhǔn)備在量子計(jì)算中起著重要作用?；跍y量的變分量子本征求解器 (MBVQE)利用基于測量和變分量子計(jì)算的思想，并使用淺電路解決本征態(tài)問題。在這里，作者演示了針對擾動平面碼的MBVQE原理驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)。MBVQE的基本思想是用更多的糾纏輔助來擴(kuò)展H0的簇態(tài)，在參數(shù)化的基礎(chǔ)上測量輔助態(tài)并應(yīng)用前饋操作來準(zhǔn)備H(λ)的基態(tài)。作者繪制了實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的狀態(tài)的能量，這與精確解一致，驗(yàn)證了原理的實(shí)現(xiàn)。

圖4? 擾動平面碼 MBVQE 的原理驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)
參考文獻(xiàn)：
Cao, S., Wu, B., Chen, F. et al. Generation of genuine entanglement up to 51 superconducting qubits. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06195-1