近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)袁驍合作，成功實(shí)現(xiàn)了51個(gè)超導(dǎo)量子比特簇態(tài)制備和驗(yàn)證，刷新了所有量子系統(tǒng)中真糾纏比特?cái)?shù)目的世界紀(jì)錄，并首次實(shí)現(xiàn)了基于測(cè)量的變分量子算法的演示。

該工作將各個(gè)量子系統(tǒng)中真糾纏比特?cái)?shù)目的紀(jì)錄由原先的24個(gè)大幅突破至51個(gè)，充分展示了超導(dǎo)量子計(jì)算體系優(yōu)異的可擴(kuò)展性，對(duì)于多體量子糾纏研究、大規(guī)模量子算法實(shí)現(xiàn)以及基于測(cè)量的量子計(jì)算具有重要意義。相關(guān)研究成果于7月12日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。

其中，國盾量子首席科學(xué)家彭承志是論文作者之一，公司為實(shí)驗(yàn)提供了相關(guān)設(shè)備及技術(shù)支持?；谥α孔佑?jì)算前沿研究的經(jīng)驗(yàn)，國盾量子目前已搭建了“祖沖之二號(hào)”同款超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，并將其接入新一代量子計(jì)算云平臺(tái)，面向大眾開放。

量子糾纏是量子力學(xué)中最神秘也是最基礎(chǔ)的性質(zhì)之一，同時(shí)也是量子信息處理的核心資源，是量子計(jì)算加速效應(yīng)的根本來源之一。

多年以來，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的多量子比特糾纏一直是各國科學(xué)家奮力追求的目標(biāo)。自1998年人們首次利用核磁共振系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3比特GHZ態(tài)的制備開始，真多體糾纏態(tài)的制備成為包括光子、離子阱、NV色心、中性原子及超導(dǎo)量子比特等各種物理系統(tǒng)規(guī)?；瘮U(kuò)展的重要表征手段。其中，超導(dǎo)量子比特具有規(guī)模化拓展的優(yōu)勢(shì)，在近年來發(fā)展迅速。

我國科學(xué)家在超導(dǎo)量子比特多體糾纏制備方面取得了一系列重要成果，自2017年起先后完成了10比特、12比特、18比特的真糾纏態(tài)制備，不斷刷新超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域的糾纏比特?cái)?shù)目紀(jì)錄。

然而，更大規(guī)模的真糾纏態(tài)制備要求高連通性的量子系統(tǒng)、高保真的多比特量子門操作、以及高效準(zhǔn)確的量子態(tài)保真度表征手段。高連通性保證了大規(guī)模量子態(tài)生成的可能性，避免了因缺陷和連通性不足限制量子態(tài)規(guī)模；通過高保真量子門才能夠?qū)⒘孔颖忍剡B接起來形成高保真的多體量子糾纏態(tài)；而高效的量子態(tài)表征是克服隨比特?cái)?shù)指數(shù)級(jí)增長的量子態(tài)規(guī)模復(fù)雜度、進(jìn)行量子態(tài)保真度準(zhǔn)確估計(jì)的重要保證。這些要求對(duì)量子系統(tǒng)的性能、操控能力以及驗(yàn)證手段提出了很高的要求，使此前真糾纏比特的規(guī)模停留在約20個(gè)量子比特的水平。

研究團(tuán)隊(duì)在前期構(gòu)建的“祖沖之二號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將并行多比特量子門的保真度提高到99.05%、讀取精度提高到95.09%，并結(jié)合研究團(tuán)隊(duì)所提出的大規(guī)模量子態(tài)保真度驗(yàn)證判定方案，成功實(shí)現(xiàn)了51比特簇態(tài)制備和驗(yàn)證。最終51比特一維簇態(tài)保真度達(dá)到0.637±0.030，超過0.5糾纏判定閾值13個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。這一結(jié)果將各個(gè)量子系統(tǒng)中真糾纏比特?cái)?shù)目的紀(jì)錄由原先的24個(gè)大幅突破至51個(gè)，充分展示了超導(dǎo)量子計(jì)算體系優(yōu)異的可擴(kuò)展性。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過結(jié)合基于測(cè)量的變分量子本征求解器，開展了對(duì)于小規(guī)模的擾動(dòng)平面碼的本征能量的求解，首次實(shí)現(xiàn)了基于測(cè)量的變分量子算法，為基于測(cè)量的量子計(jì)算方案走向?qū)嵱玫於嘶A(chǔ)。

本研究工作得到了科技部、安徽省、上海市、自然科學(xué)基金委和中科院等的資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06195-1

本文轉(zhuǎn)載自量子科話。