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)的根本來源之一。多年來，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，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)?；卣沟膬?yōu)勢(shì)而在近年來得到了快速發(fā)展。

潘建偉介紹說：“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；只有通過高保真度的量子門才能將量子比特連接起來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)。