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隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，真正的多方糾纏的可擴(kuò)展生成對(duì)于量子信息技術(shù)的基礎(chǔ)興趣和實(shí)際應(yīng)用都是重要的。一方面，多方糾纏表現(xiàn)出量子力學(xué)預(yù)測(cè)與局部實(shí)現(xiàn)之間的強(qiáng)烈矛盾，可以用于量子到經(jīng)典躍遷的研究。

另一方面，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模糾纏是衡量量子系統(tǒng)質(zhì)量和可控性的基準(zhǔn)，是實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的必要條件。

然而，在最先進(jìn)的量子設(shè)備上可擴(kuò)展地生成真正的多方糾纏，可能具有挑戰(zhàn)性，需要精確的量子門和有效的驗(yàn)證協(xié)議。

在此，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的袁驍&朱曉波&潘建偉等研究者展示了一種可擴(kuò)展的方法，用于在66量子位超導(dǎo)量子處理器上準(zhǔn)備和驗(yàn)證中等規(guī)模的真正糾纏。相關(guān)論文以題為“Generation of genuine entanglement up to 51 superconducting qubits”于2023年07月12日發(fā)表在Nature上。

量子硬件的最新進(jìn)展，特別是超導(dǎo)量子處理器，已經(jīng)證實(shí)了可編程量子器件的潛力，這種器件使用由數(shù)十個(gè)量子比特上的單量子比特和雙量子比特門的多層組成的淺深度電路。

盡管這些器件已經(jīng)成功地用于實(shí)現(xiàn)隨機(jī)量子電路采樣，并在數(shù)十個(gè)量子位上展示量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)，但所報(bào)告的狀態(tài)保真度相對(duì)較低(<1%)，足以用于實(shí)際應(yīng)用。

由于大多數(shù)量子計(jì)算算法和量子信息處理協(xié)議的基本成分都依賴于量子糾纏，因此在實(shí)現(xiàn)高保真糾纏多量子位態(tài)方面也做了大量工作。在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域，最大的真正糾纏是18量子位的Greenberger–Horne–Zeilinger ?(GHZ)態(tài)，通過集體相互作用實(shí)現(xiàn)。

然而，這種方案需要在不使用數(shù)字量子門的情況下將所有量子比特耦合到公共總線諧振器，這可能很難推廣到其他糾纏態(tài)或擴(kuò)展到更大的系統(tǒng)。使用數(shù)字超導(dǎo)門的最大的真正糾纏態(tài)只有12個(gè)量子比特，比最先進(jìn)的超導(dǎo)設(shè)備小得多。糾纏更大數(shù)量的量子位是一項(xiàng)更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要在設(shè)備質(zhì)量和糾纏驗(yàn)證的有效理論手段方面進(jìn)行顯著的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。

在這里，研究者提出了一個(gè)系統(tǒng)的研究，以制備一維(1D)和二維(2D)簇態(tài)具有不同的系統(tǒng)大小，并驗(yàn)證真正的糾纏高達(dá)51量子位。研究者實(shí)驗(yàn)的成功依賴于實(shí)驗(yàn)和理論兩方面的改進(jìn)。

首先，研究者在具有可調(diào)耦合架構(gòu)的高性能二維量子處理器上實(shí)現(xiàn)了高保真并行雙量子比特門，顯著減少了產(chǎn)生糾纏的操作時(shí)間。

其次，研究者采用了高效準(zhǔn)確的讀數(shù)校準(zhǔn)過程，消除了大部分誤差。

第三，研究者使用隨機(jī)保真度估計(jì)來驗(yàn)證真實(shí)糾纏，這大大減少了狀態(tài)驗(yàn)證的測(cè)量次數(shù)。這些改進(jìn)使得近期量子器件能夠一致地生成和驗(yàn)證真正糾纏的一維和二維簇態(tài)。

此外，研究者以高保真簇態(tài)為資源，實(shí)現(xiàn)了一種基于測(cè)量的變分量子特征解算器，用于攝動(dòng)平面碼，并精確觀測(cè)了不同攝動(dòng)下制備的基態(tài)和相變。

研究者采用高保真并行量子門，并優(yōu)化了并行單量子比特門和雙量子比特門的保真度分別為99.91%和99.05%。通過高效的隨機(jī)保真度估計(jì)，研究者實(shí)現(xiàn)了51量子位一維和30量子位二維簇態(tài)，保真度分別為0.637±0.030和0.671±0.006。

在高保真簇態(tài)的基礎(chǔ)上，研究者進(jìn)一步展示了基于測(cè)量的變分量子特征解算器的原理證明實(shí)現(xiàn)。研究者的工作為準(zhǔn)備和驗(yàn)證幾百個(gè)量子比特的糾纏提供了一種可行的方法，從而實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)量子系統(tǒng)的中等規(guī)模量子計(jì)算。

圖1.?集群狀態(tài)的生成和驗(yàn)證

圖2.?量子處理器的性能

圖3. 真正的1D和2D聚類狀態(tài)的生成和驗(yàn)證

圖4. 用于擾動(dòng)平面代碼的MBVQE的原理證明

綜上所述，這項(xiàng)工作展示了生成一維和二維簇態(tài)的系統(tǒng)方法，并分別用多達(dá)51和30個(gè)量子位驗(yàn)證它們的真正糾纏。研究者的技術(shù)可以擴(kuò)展到準(zhǔn)備更大的糾纏，比如幾百個(gè)量子比特，這是中等規(guī)模量子計(jì)算和量子模擬的基礎(chǔ)。

此外，利用二維簇態(tài)可以實(shí)現(xiàn)單向量子計(jì)算，這需要進(jìn)一步的糾纏蒸餾和前饋操作。研究者的高保真狀態(tài)意味著成功的糾纏蒸餾可以進(jìn)一步提高狀態(tài)保真度;最近的實(shí)驗(yàn)也顯示了前饋操作的可行性。這些成果使通用單向量子計(jì)算得以實(shí)現(xiàn)。

此外，群集狀態(tài)也被證明是近期量子硬件(即MBVQE10協(xié)議)量子計(jì)算中的有用資源。研究者的研究結(jié)果顯示了在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)的另一種方法。

自2023年以來，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)共發(fā)表了7篇Nature正刊，以下是它們發(fā)表的時(shí)間：

文獻(xiàn)信息

Cao, S., Wu, B., Chen, F.?et al.?Generation of genuine entanglement up to 51 superconducting qubits.?Nature?(2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06195-1

原文鏈接：

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

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2023/10/03/db82798643/

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中科大，今年第7篇Nature！

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