中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊  中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)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隊與北京大學(xué)袁驍合作，成功實現(xiàn)了51個超導(dǎo)量子比特簇態(tài)制備和驗證，刷新了所有量子系統(tǒng)中真糾纏比特數(shù)目的世界紀錄，并首次演示了基于測量的變分量子算法。該工作將量子系統(tǒng)中真糾纏比特數(shù)目的紀錄由原先的24個大幅突破至51個，充分展示了超導(dǎo)量子計算體系優(yōu)異的可擴展性，對于研究多體量子糾纏、實現(xiàn)大規(guī)模量子算法以及基于測量的量子計算等具有重要意義。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》上。

量子真糾纏態(tài)比特數(shù)目的發(fā)展歷史

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，同時也是量子信息處理的核心資源，是量子計算加速效應(yīng)的根本來源之一。多年以來，實現(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。自1998年人們首次利用核磁共振系統(tǒng)實現(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、金剛石氮空位色心、中性原子及超導(dǎo)量子比特等各種物理系統(tǒng)規(guī)模化擴展的重要表征手段。其中，超導(dǎo)量子比特具有規(guī)模化拓展的優(yōu)勢，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)量子計算領(lǐng)域的糾纏比特數(shù)目紀錄。

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以及高效準確的量子態(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)表征是克服隨比特數(shù)指數(shù)級增長的量子態(tài)規(guī)模復(fù)雜度、進行量子態(tài)保真度準確估計的重要保證。由于難以實現(xiàn)對量子系統(tǒng)性能、操控能力以及驗證手段的這些要求，此前真糾纏比特的規(guī)模未能突破24個量子比特。

利用“祖沖之二號”完成的51比特一維簇態(tài)制備的線路及量子態(tài)保真度結(jié)果

研究團隊在前期構(gòu)建的“祖沖之二號”超導(dǎo)量子計算原型機基礎(chǔ)上，進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)合研究團隊所提出的大規(guī)模量子態(tài)保真度驗證判定方案，成功實現(xiàn)了51比特簇態(tài)制備和驗證。最終51比特一維簇態(tài)保真度達到0.637±0.030，超過0.5糾纏判定閾值13個標準差。在此基礎(chǔ)上，研究團隊通過結(jié)合基于測量的變分量子本征求解器，開展了對于小規(guī)模擾動平面碼的本征能量的求解，首次實現(xiàn)了基于測量的變分量子算法，為基于測量的量子計算方案走向?qū)嵱玫於嘶A(chǔ)。