我國實現世界最大規模51比特量子糾纏態製備

據中國科大新聞網7月12日消息，中國科學技術大學中國科學院量子信息與量子科技創新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊與北京大學袁驍合作，成功實現了51個超導量子比特簇態製備和驗證，刷新了所有量子系統中真糾纏比特數目的世界紀錄，並首次實現了基於測量的變分量子算法的演示。該工作將各個量子系統中真糾纏比特數目的紀錄由原先的24個大幅突破至51個，充分展示了超導量子計算體系優異的可擴展性，對於多體量子糾纏研究、大規模量子算法實現以及基於測量的量子計算具有重要意義。相關研究成果於7月12日在線發表在國際學術期刊《自然》雜誌上。

量子糾纏是量子力學中最神秘也是最基礎的性質之一，同時也是量子信息處理的核心資源，是量子計算加速效應的根本來源之一。多年以來，實現大規模的多量子比特糾纏一直是各國科學家奮力追求的目標。自1998年人們首次利用核磁共振系統實現3比特GHZ態的製備開始，真多體糾纏態的製備成為包括光子、離子阱、NV色心、中性原子及超導量子比特等各種物理系統規模化擴展的重要表徵手段。其中，超導量子比特具有規模化拓展的優勢，在近年來發展迅速。我國科學家在超導量子比特多體糾纏製備方面取得了一系列重要成果，自2017年起先後完成了10比特、12比特、18比特的真糾纏態製備，不斷刷新超導量子計算領域的糾纏比特數目紀錄。

然而，更大規模的真糾纏態製備要求高連通性的量子系統、高保真的多比特量子門操作、以及高效準確的量子態保真度表徵手段。高連通性保證了大規模量子態生成的可能性，避免了因缺陷和連通性不足限制量子態規模；通過高保真量子門才能夠將量子比特連接起來形成高保真的多體量子糾纏態；而高效的量子態表徵是克服隨比特數指數級增長的量子態規模複雜度、進行量子態保真度準確估計的重要保證。這些要求對量子系統的性能、操控能力以及驗證手段提出了很高的要求，使此前真糾纏比特的規模停留在約20個量子比特的水平。

圖1 量子真糾纏態比特數目的發展歷史

研究團隊在前期構建的“祖沖之二號”超導量子計算原型機的基礎上，進一步將並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%，並結合研究團隊所提出的大規模量子態保真度驗證判定方案，成功實現了51比特簇態製備和驗證。最終51比特一維簇態保真度達到0.637±0.030，超過0.5糾纏判定閾值13個標準差。這一結果將各個量子系統中真糾纏比特數目的紀錄由原先的24個大幅突破至51個，充分展示了超導量子計算體系優異的可擴展性。在此基礎上，研究團隊通過結合基於測量的變分量子本徵求解器，開展了對於小規模的擾動平面碼的本徵能量的求解，首次實現了基於測量的變分量子算法，為基於測量的量子計算方案走向實用奠定了基礎。

本研究工作得到了科技部、安徽省、上海市、自然科學基金委和中科院等的資助。

圖2 利用“祖沖之二號”完成的51比特一維簇態製備的線路及量子態保真度結果