我國學者實現20個超導量子比特的薛定諤貓態糾纏

國家自然科學基金委員會

在國家自然科學基金項目（批準號：11725419，11434008）等資助下，由浙江大學、中國科學院物理研究所、中國科學院自動化研究所、北京計算科學研究中心等國內單位組成的聯合團隊通力合作，開發出具有20 個超導量子比特的量子芯片，并成功操控其實現糾纏，刷新了固態量子器件中生成糾纏態的量子比特數目的世界紀錄。該成果以“Generation of Multicomponent Atomic Schr?dinger Cat States of up to 20 Qubits”（多達20個量子比特的多組份原子薛定諤貓態的制備）為題，于2019年8月發表在Science（《科學》）雜志上。

量子糾纏是量子力學中最為重要的概念之一。一方面，它們可被用于量子力學基本問題的探索，驗證量子態非定域性和互文性等原理；另一方面，糾纏態的制備是實現量子糾錯、量子算法以及容錯量子計算的技術基礎。多比特量子糾纏態，特別是Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）態的實驗制備，是衡量量子計算平臺控制能力的關鍵指標，國際競爭尤為激烈。超導量子計算平臺可集度高、相干時間長、操控精確，是研究多比特量子糾纏的理想實驗平臺。

我國聯合團隊經過近兩年的器件設計、制備與標定，開發出了高性能的20比特超導量子芯片。芯片通過一個中心諧振腔實現了任意兩比特間的可調耦合。利用這一性質，團隊研究人員設計實現了一個單軸壓縮的哈密頓量（one-axis twisting Hamiltonian）。根據該哈密頓量，初態被制備到相干態的多比特系統會首先演化到自旋壓縮態，然后在不同時間點依次演化到有5、4、3和2個組份疊加的原子薛定諤貓態，其中兩組份的薛定諤貓態就是GHZ態。實驗成功制備了18個量子比特的GHZ態，保真度超過GHZ多體真糾纏的判據閾值0.5；實驗還首次生成了20個量子比特的5組份原子薛定諤貓態，其量子特性由實驗測量的魏格納函數（Wigner function）證明。該工作最早于5月1日公布于預印本網站（arXiv:1905.00320）。隨后，美國IBM超導量子計算團隊（arXiv:1905.05720）和哈佛大學里德堡原子團隊（arXiv:1905.05721）于5月14日相繼在預印本網站公布了類似的實驗結果。

20比特超導量子芯片的成功研制以及實驗所展示的多比特糾纏態調控技術，為未來發展大規模集成量子計算芯片和展示有量子加速能力的特定量子模擬和量子算法應用奠定了基礎。