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隨著量子比特數量的增加，真正的多方糾纏的可擴展生成對于量子信息技術的基礎興趣和實際應用都是重要的。一方面，多方糾纏表現出量子力學預測與局部實現之間的強烈矛盾，可以用于量子到經典躍遷的研究。

另一方面，實現大規模糾纏是衡量量子系統質量和可控性的基準，是實現通用量子計算的必要條件。

然而，在最先進的量子設備上可擴展地生成真正的多方糾纏，可能具有挑戰性，需要精確的量子門和有效的驗證協議。

在此，來自中國科學技術大學的袁驍&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量子位超導量子處理器上準備和驗證中等規模的真正糾纏。相關論文以題為“Generation of genuine entanglement up to 51 superconducting qubits”于2023年07月12日發表在Nature上。

量子硬件的最新進展，特別是超導量子處理器，已經證實了可編程量子器件的潛力，這種器件使用由數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。

盡管這些器件已經成功地用于實現隨機量子電路采樣，并在數十個量子位上展示量子計算優勢，但所報告的狀態保真度相對較低(<1%)，足以用于實際應用。

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

然而，這種方案需要在不使用數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或擴展到更大的系統。使用數字超導門的最大的真正糾纏態只有12個量子比特，比最先進的超導設備小得多。糾纏更大數量的量子位是一項更具挑戰性的任務，需要在設備質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的研究，以制備一維(1D)和二維(2D)簇態具有不同的系統大小，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，研究者在具有可調耦合架構的高性能二維量子處理器上實現了高保真并行雙量子比特門，顯著減少了產生糾纏的操作時間。

其次，研究者采用了高效準確的讀數校準過程，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，這大大減少了狀態驗證的測量次數。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。

此外，研究者以高保真簇態為資源，實現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和相變。

研究者采用高保真并行量子門，并優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，研究者實現了51量子位一維和30量子位二維簇態，保真度分別為0.637±0.030和0.671±0.006。

在高保真簇態的基礎上，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。研究者的工作為準備和驗證幾百個量子比特的糾纏提供了一種可行的方法，從而實現了超導量子系統的中等規模量子計算。

圖1.?集群狀態的生成和驗證

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的系統方法，并分別用多達51和30個量子位驗證它們的真正糾纏。研究者的技術可以擴展到準備更大的糾纏，比如幾百個量子比特，這是中等規模量子計算和量子模擬的基礎。

此外，利用二維簇態可以實現單向量子計算，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意味著成功的糾纏蒸餾可以進一步提高狀態保真度;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。

此外，群集狀態也被證明是近期量子硬件(即MBVQE10協議)量子計算中的有用資源。研究者的研究結果顯示了在短期內實現量子優勢的另一種方法。

自2023年以來，中國科學技術大學共發表了7篇Nature正刊，以下是它們發表的時間：

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

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