中國(guó)科學(xué)家成功制備和驗(yàn)證51比特超導(dǎo)量子簇態(tài)，刷新紀(jì)錄

中國(guó)科學(xué)家刷新紀(jì)錄：成功實(shí)現(xiàn)51比特超導(dǎo)量子簇態(tài)制備和驗(yàn)證

中國(guó)科學(xué)家在量子科技領(lǐng)域取得重要突破，繼2017年成功制備10比特、12比特和18比特的真糾纏態(tài)之后，他們?cè)俅嗡⑿铝耸澜缂o(jì)錄，成功實(shí)現(xiàn)了51比特超導(dǎo)量子簇態(tài)的制備和驗(yàn)證。

據(jù)中國(guó)科學(xué)院消息，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院的潘建偉、朱曉波、彭承志等研究團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)的袁驍合作，最近成功實(shí)現(xiàn)了51個(gè)超導(dǎo)量子比特的簇態(tài)制備和驗(yàn)證。這一成果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，并首次演示了基于測(cè)量的變分量子算法。相關(guān)研究成果已于7月12日在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

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(lái)源之一。多年來(lái)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的多量子比特糾纏一直是各國(guó)科學(xué)家努力追求的目標(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)的制備以來(lái)，真多體糾纏態(tài)的制備一直是各種物理系統(tǒng)規(guī)模化擴(kuò)展的重要標(biāo)志，包括光子、離子阱、金剛石氮空位色心、中性原子和超導(dǎo)量子比特等。超導(dǎo)量子比特由于其規(guī)模化拓展的優(yōu)勢(shì)而在近年來(lái)得到了快速發(fā)展。

潘建偉介紹說(shuō)：“然而，要實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的真糾纏態(tài)制備，需要具備高連通性的量子系統(tǒng)、高保真度的多比特量子門(mén)以及高效準(zhǔn)確的量子態(tài)保真度表征手段。”高連通性可以保證實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子態(tài)的可能性，避免缺陷和連通性不足對(duì)量子態(tài)規(guī)模的限制；只有通過(guò)高保真度的量子門(mén)才能將量子比特連接起來(lái)形成高保真度的多體量子糾纏態(tài)；而高效的量子態(tài)表征則是克服量子態(tài)規(guī)模復(fù)雜度隨比特?cái)?shù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的重要保證。然而，實(shí)現(xiàn)這些要求對(duì)量子系統(tǒng)的性能、操控能力和驗(yàn)證手段提出了很高的要求，因此之前真糾纏比特的規(guī)模還未能突破24個(gè)。

研究團(tuán)隊(duì)在之前構(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)一步提高了并行多比特量子門(mén)的保真度至99.05%，讀取精度至95.09%。結(jié)合研究團(tuán)隊(duì)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)的制備和驗(yàn)證。最終，51比特簇態(tài)的保真度達(dá)到了0.637±0.030，超過(guò)了0.5糾纏判定閾值13個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。

潘建偉表示：“這項(xiàng)工作將量子系統(tǒng)中真糾纏比特?cái)?shù)目的紀(jì)錄由原先的24個(gè)大幅刷新至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)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)算方案的實(shí)用化打下了基礎(chǔ)。