光明日報(bào)合肥7月12日電 我國科學(xué)家成功實(shí)現(xiàn)了51個超導(dǎo)量子比特簇態(tài)制備和驗(yàn)證，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，并首次實(shí)現(xiàn)了基于測量的變分量子算法的演示。該研究將各個量子系統(tǒng)中真糾纏比特?cái)?shù)目的紀(jì)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(jì)算體系優(yōu)異的可擴(kuò)展性，對于多體量子糾纏研究、大規(guī)模量子算法實(shí)現(xiàn)以及基于測量的量子計(jì)算具有重要意義。

　　據(jù)悉，此項(xiàng)工作是由中國科學(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(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)袁驍合作完成的。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》雜志上。

　　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。多年以來，實(shí)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(biāo)。自1998年人們首次利用核磁共振系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3比特糾纏態(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(kuò)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，在近年來發(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(jì)算領(lǐng)域的糾纏比特?cái)?shù)目紀(jì)錄。”潘建偉說。

　　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操作以及高效準(zhǔn)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，避免了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?cái)?shù)指數(shù)級增長的量子態(tài)規(guī)模復(fù)雜度、進(jìn)行量子態(tài)保真度準(zhǔn)確估計(jì)的重要保證。這些對量子系統(tǒng)的性能、操控能力以及驗(yàn)證手段提出了很高的要求，使此前真糾纏比特的規(guī)模停留在約20個量子比特的水平。

　　潘建偉介紹，研究團(tuán)隊(duì)在前期構(gòu)建的“祖沖之二號”超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(tuán)隊(duì)所提出的大規(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)制備和驗(yàn)證。最終51比特一維簇態(tài)保真度達(dá)到0.637±0.030，超過0.5糾纏判定閾值13個標(biāo)準(zhǔn)差。這一結(jié)果將各個量子系統(tǒng)中真糾纏比特?cái)?shù)目的紀(jì)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(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)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)模的擾動平面碼的本征能量的求解，首次實(shí)現(xiàn)了基于測量的變分量子算法，為基于測量的量子計(jì)算方案走向?qū)嵱玫於嘶A(chǔ)。（記者常河、齊芳）