我国科学家成功制备并验证51个超导量子比特的真纠缠刷新世界记录

IT之家 7 月 13 日消息，中国研究人员已经成功实现 51 个超导量子比特簇态制备和验证，刷新了所有量子系统中真纠缠比特数目的世界记录，并首次演示了基于测量的变分量子算法。

▲量子真纠缠态比特数目的发展历史。（图源：官方团队）

该研究由中国科学技术大学潘建伟院士、朱晓波、彭承志团队和北京大学袁骁等科研人员合作完成，相关研究成果已于 7 月 12 日发表于《自然》杂志（IT之家附 DOI：10.1038 / s41586-023-06195-1）。

大规模的真纠缠态制备要求高连通性的量子系统、高保真的多比特量子门以及高效准确的量子态保真度表征手段，由于难以实现对量子系统性能、操控能力以及验证手段的这些要求，此前真纠缠比特的规模未能突破 24 个量子比特。

实际上，此前也曾有人尝试使用大量量子比特来实现这一目标，但没有一个能够验证纠缠的存在。

对于两个相互纠缠的粒子，只要改变其中一个粒子的属性便会同时改变另一个粒子的相同属性。对于更多的粒子，不仅每对粒子可以纠缠在一起，而且所有粒子都可以与彼此相互纠缠。

研究人员在 1980 年代末研究了如何以这种更复杂的方式将三四个光子纠缠在一起，而且之前还实现了 27 个量子比特的量子计算机。

图源 Pixabay

我国研究人员在前期构建的“祖冲之二号”超导量子计算原型机的基础上进一步将并行多比特量子门的保真度提高到 99.05%，读取精度提高到 95.09%，并结合研究团队所提出的大规模量子态保真度验证判定方案，成功实现了 51 比特簇态制备和验证。

研究人员利用我国超导量子计算原型机成功地纠缠了一行中的 51 个量子比特和一个二维平面上的 30 个量子比特，在每种情况下都创造了记录。

▲利用“祖冲之二号”完成的 51 比特一维簇态制备的线路及量子态保真度结果。

“这一成功源于对设备进行精细校准和深思熟虑的设计选择，”苏黎世联邦理工学院的 Nathan Lacroix 说道，“这说明了祖冲之计算机的强大能力”。他指出，其他研究人员之前也曾创建过类似的系统，其量子比特数高达 57 个，但无法验证每个量子比特是否与其他量子比特纠缠在一起。

“纠缠是传统计算机和量子计算机之间的关键差异之一，也是量子算法的关键要素。因此，展示大量纠缠量子比特是量子计算机的一个重要基准，”澳大利亚新南威尔士大学的 Charles Hill 说道。Hill 和他的同事尝试使用一个 65 量子比特的设备来完成类似的壮举，但只能证明这些量子比特成对地纠缠在一起，而不是作为一个整体。

朱晓波表示，“我们必须开发一种新的观察纠缠的方法”。这涉及到如何巧妙地选择一组最小的测量指标，以收集足够的信息来描述量子比特正在做什么，而不会花费太多时间或计算资源。

荷兰代尔夫特理工大学的 Christian Andersen 表示，虽然目前还不清楚 51 个纠缠量子比特如何用于计算，但研究人员取得了令人印象深刻的技术成就，并创建了一个非常复杂的系统，因为它在经典物理学中没有对应物。他说：“这项工作可以启发其他研究人员了解我们实际上可以用超导量子比特做什么。”

“这项工作将量子系统中真纠缠比特数目的纪录由原先的 24 个大幅刷新至 51 个，充分展示了超导量子计算体系优异的可扩展性。”潘建伟说，在此基础上，研究团队首次实现了基于测量的变分量子算法，为基于测量的量子计算方案走向实用奠定了基础。