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隨著量子比特數(shù)量的增加，真正的多方糾纏的可擴展生成對于量子信息技術(shù)的基礎(chǔ)興趣和實際應(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)測與局部實現(xiàn)之間的強烈矛盾，可以用于量子到經(jīng)典躍遷的研究。

另一方面，實現(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)，是實現(xiàn)通用量子計算的必要條件。

然而，在最先進的量子設(shè)備上可擴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。

量子硬件的最新進展，特別是超導(dǎo)量子處理器，已經(jīng)證實了可編程量子器件的潛力，這種器件使用由數(shù)十個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)成功地用于實現(xiàn)隨機量子電路采樣，并在數(shù)十個量子位上展示量子計算優(yōu)勢，但所報告的狀態(tài)保真度相對較低(<1%)，足以用于實際應(yīng)用。

由于大多數(shù)量子計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個量子比特，比最先進的超導(dǎo)設(shè)備小得多。糾纏更大數(shù)量的量子位是一項更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要在設(shè)備質(zhì)量和糾纏驗證的有效理論手段方面進行顯著的實驗改進。

在這里，研究者提出了一個系統(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，并驗證真正的糾纏高達51量子位。研究者實驗的成功依賴于實驗和理論兩方面的改進。

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，研究者使用隨機保真度估計來驗證真實糾纏，這大大減少了狀態(tài)驗證的測量次數(shù)。這些改進使得近期量子器件能夠一致地生成和驗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，實現(xiàn)了一種基于測量的變分量子特征解算器，用于攝動平面碼，并精確觀測了不同攝動下制備的基態(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%。通過高效的隨機保真度估計，研究者實現(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，研究者進一步展示了基于測量的變分量子特征解算器的原理證明實現(xiàn)。研究者的工作為準(zhǔn)備和驗證幾百個量子比特的糾纏提供了一種可行的方法，從而實現(xiàn)了超導(dǎo)量子系統(tǒng)的中等規(guī)模量子計算。

圖1.?集群狀態(tài)的生成和驗證

圖2.?量子處理器的性能

圖3. 真正的1D和2D聚類狀態(tài)的生成和驗證

圖4. 用于擾動平面代碼的MBVQE的原理證明

綜上所述，這項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51和30個量子位驗證它們的真正糾纏。研究者的技術(shù)可以擴展到準(zhǔn)備更大的糾纏，比如幾百個量子比特，這是中等規(guī)模量子計算和量子模擬的基礎(chǔ)。

此外，利用二維簇態(tài)可以實現(xiàn)單向量子計算，這需要進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一步提高狀態(tài)保真度;最近的實驗也顯示了前饋操作的可行性。這些成果使通用單向量子計算得以實現(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)實現(xiàn)量子優(yōu)勢的另一種方法。

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)表的時間：

文獻信息

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，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/03/db82798643/

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