據(jù)中國(guó)科大新聞網(wǎng)7月12日消息，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)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，成功實(shí)現(xiàn)了51個(gè)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(cè)量的變分量子算法的演示。該工作將各個(gè)量子系統(tǒng)中真糾纏比特?cái)?shù)目的紀(jì)錄由原先的24個(gè)大幅突破至51個(gè)，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(duì)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(cè)量的量子計(jì)算具有重要意義。相關(guān)研究成果于7月12日在線發(fā)表在國(guó)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(shí)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(lái)源之一。多年以來(lái)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的多量子比特糾纏一直是各國(guó)科學(xué)家?jiàn)^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GHZ態(tài)的制備開(kāi)始，真多體糾纏態(tài)的制備成為包括光子、離子阱、NV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(shì)，在近年來(lái)發(fā)展迅速。我國(guó)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。

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(mén)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(guò)高保真量子門(mén)才能夠?qū)⒘孔颖忍剡B接起來(lái)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(jí)增長(zhǎng)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。這些要求對(duì)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(gè)量子比特的水平。

圖1 量子真糾纏態(tài)比特?cái)?shù)目的發(fā)展歷史

研究團(tuán)隊(duì)在前期構(gòu)建的“祖沖之二號(hào)”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(mén)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(guò)0.5糾纏判定閾值13個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。這一結(jié)果將各個(gè)量子系統(tǒng)中真糾纏比特?cái)?shù)目的紀(jì)錄由原先的24個(gè)大幅突破至51個(gè)，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(guò)結(jié)合基于測(cè)量的變分量子本征求解器，開(kāi)展了對(duì)于小規(guī)模的擾動(dòng)平面碼的本征能量的求解，首次實(shí)現(xiàn)了基于測(cè)量的變分量子算法，為基于測(cè)量的量子計(jì)算方案走向?qū)嵱玫於嘶A(chǔ)。

本研究工作得到了科技部、安徽省、上海市、自然科學(xué)基金委和中科院等的資助。

圖2 利用“祖沖之二號(hào)”完成的51比特一維簇態(tài)制備的線路及量子態(tài)保真度結(jié)果