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      中國科學院物理研究所 Q03組供稿 第49期 2019年08月09日
      北京凝聚態物理國家研究中心
      20超導量子比特薛定諤貓態制備

        超導量子計算平臺可集成多個量子比特,相干時間長、操控和讀出精度高,是實用化、可擴展量子計算主要技術路線之一。衡量量子計算平臺性能的一個標志性成果是多量子比特糾纏態的制備,特別是Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)態的實驗制備,國際競爭尤為激烈。近期,由浙江大學王浩華課題組與中科院物理研究所范桁、鄭東寧課題組所組成的超導量子計算團隊,在長期合作的基礎上,最近又與中科院自動化所、北京計算科學研究中心等國內單位密切合作,在超導多量子比特糾纏態的制備方面取得重要進展。
        中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心范桁研究員、鄭東寧研究員、許凱副研究員、博士生李賀康(現浙江大學博士后)、張煜然博士(現北京計算科學研究中心博士后),與浙江大學博士生宋超、王浩華教授、王大偉教授、朱詩堯院士,以及中科院自動化所蒿杰研究員、馮卉助理研究員等(全部作者及單位信息參見論文)通力合作,經過近兩年時間的器件設計與制備、實驗測控運行及數據處理,成功將全局量子糾纏的量子比特數目推進到20個,特別是實現了18個量子比特GHZ態制備,其保真度超過GHZ多體真糾纏的判據閾值,并首次展示了20量子比特5組分薛定諤貓態。這一成果將固態系統GHZ態糾纏量子比特數世界紀錄從10個推進到18個,薛定諤貓態比特數推進到20個,成果已于8月9日在國際學術刊物《科學》發表(Science 365, 574-577 (2019))。
        同期《科學》上也背靠背發表了哈佛大學Mikhail Lukin組20量子比特薛定諤貓態的工作(Science 365, 570-574 (2019)),他們利用里德堡原子制備了薛定諤貓態并證明其GHZ態的糾纏數目可以達到20量子比特。另外,美國IBM超導量子計算團隊的預印本(arXiv:1905.05720)同樣報道了其20超導量子比特糾纏態制備的實驗工作,數據顯示18比特GHZ糾纏態保真度超過了多體真糾纏的閾值判據(0.5),與浙江大學與物理所團隊所報道的保真度幾乎持平。三篇文章報道的糾纏態比特數目基本處于同樣水平,也幾乎同時投送到預印本庫(浙大物理所團隊5月1日提交:arXiv:1905.00320; IBM團隊5月14日提交:arXiv:1905.05720; 哈佛團隊5月14日同時提交:arXiv:1905.05721),反映了以糾纏態制備為代表的多量子比特相干操控是目前主要的努力目標之一。

        超導量子比特薛定諤貓態和GHZ態
        薛定諤貓(態)來源于量子力學奠基人之一薛定諤所提出的一個著名假想實驗,設想微觀粒子態, |0〉,|1〉,和宏觀生命狀態貓的死和活相關聯,形成相干疊加的量子態形式,|0〉|貓活〉+|1〉|貓死〉,則該只貓既不是死也不是活;同時,薛定諤貓態也和愛因斯坦-波多爾斯基-羅森(EPR)對的量子糾纏態有相似的形式,|00〉+|11〉,只不過愛因斯坦-波多爾斯基-羅森對一般指空間分離的兩個微觀粒子,1990年提出的GHZ態是薛定諤貓態和EPR對的直接推廣, |000〉+|111〉, 但是指出了全局糾纏的概念,因為在不考慮第三個粒子時,GHZ態中任意兩個粒子間沒有量子糾纏,只有經典關聯,所以三個粒子是全局糾纏在一起的。由于這些概念相互關聯,而量子態的具體形式又基本相同,現在把多粒子糾纏態|00…0〉+|11…1〉稱之為多比特GHZ態,或者兩組分的薛定諤貓態,同時把相似的多組分疊加態統稱為薛定諤貓態,文章中采取這樣的約定,圖一展示了薛定諤貓態和GHZ態。

      圖一:量子態的時間演化過程,薛定諤貓態和GHZ態在不同時間點被分別制備,上下兩行A、B是數值模擬和實驗結果的對照,C部分展示了薛定諤貓態的量子性驗證,此圖來自《科學》文章配圖。

       

       

        薛定諤貓態和GHZ態制備的意義
        多量子比特GHZ和薛定諤貓態制備,一方面可用來進行量子力學基本問題探索,比如驗證量子態非定域性和互文性(contextuality, 指互不對易的兩種測量算子,對系統的測量結果依賴于兩個測量的先后順序)等原理,如貝爾不等式和Mermin不等式等;另一方面如果可以制備各種糾纏態如簇態,則通用量子計算可采用遵從特定時序的單量子比特測量來實現,即單向方式,會大大降低實現量子計算的難度,所以多比特糾纏態的制備是實現單向量子計算的技術基礎。

        實驗方案、技術和數據
        實驗中所采用的器件上集成有20個超導量子比特,請參考示意圖,其平均相干時間達到34微秒,全部超過了20微秒,最高達到51微秒,多數集中在30多微秒,所有量子比特可通過同一共振腔產生相互作用,和共振腔的耦合參數幾乎相等,反映了器件制備工藝穩定,有利于GHZ態和薛定諤貓態的制備,每個量子比特都可以精確調控,實驗利用隨機旋轉操作標定的單比特邏輯門保真度都超過0.99,平均達到0.996,長相干時間、操控精度及讀出、以及相同的共振頻率等都是實驗成功的重要基礎。器件量子比特多對多的構型可以在任意兩個量子比特間產生糾纏和相互作用,有利于實現量子計算多種方案和模擬多種量子現象,圖二展示了實驗所使用的具有20量子比特的超導量子處理器及量子態演化中的布洛赫球分布。實驗中先將每個量子比特都精確制備于位于布洛赫球赤道X方向處的疊加態,然后讓所有量子比特根據系統哈密頓量進行演化,根據器件構型和參數,系統哈密頓量等同于Z算子和的平方,量子態將產生自旋壓縮態,并在不同時間點分別出現5,4,3,2個組分疊加的薛定諤貓態,其中兩組分的薛定諤貓態就是GHZ態。
        GHZ態是一種多體糾纏態,其糾纏判據對應于所制備的量子態和目標態的保真度超過0.5,對實驗精度要求非常之高,保真度由兩部分構成,即占據數和相干量。以占據數為例,18量子比特的占據幾率分布有218種,一般需要測量223次得到幾率分布,即測量八百萬次,其中一半必須得到正確的結果,而其它分布是隨機的幾乎可以忽略,實驗中得到保真度約為0.525±0.005,證明了18量子比特GHZ是多體真糾纏,即此糾纏不是由于部分比特間有糾纏而導致的結果,而是GHZ特有的全局糾纏。
        量子態的演化過程可以很直觀地用多量子比特在布洛赫球分布的Q函數來刻畫,可以發現在不同的時間點,量子態分別演化為多組分的薛定諤貓態,組分數分別為2, 3, 4, 5, 其中5組分是第一次被實驗觀測到,因此實驗實現了20量子比特的薛定諤貓態,其量子特性可以由魏格納函數確定,證明20比特薛定諤貓態被成功制備,請參考圖一。

        分析與討論
        谷歌和IBM選擇以超導量子比特作為實現量子計算的技術路線,團隊實力強勁,過去有(自)媒體報道谷歌完成了有72個超導量子比特的器件,而IBM已經制備出50左右量子比特的器件,這次IBM團隊的論文展示了利用20量子比特器件可以達到18量子比特的GHZ態,保真度比浙大物理所團隊稍低,但IBM團隊利用邏輯門操作制備GHZ態,技術上又具有一定挑戰性,哈佛大學Lukin組同期《科學》文章利用里德堡原子,采用了優化控制和補償探測效率等方法,實現了20量子比特薛定諤貓態和GHZ態。總體來講,精度和實驗技術上各團隊現階段基本處于同樣水準。
        有噪音中小規模量子計算暫時還沒有達到能超越經典計算機的水準,但是有噪音20量子比特的動力學已經很難用經典計算機進行數值模擬,比特信息存儲已達到現有計算機上限,而且會隨量子比特數指數增長。也就是現階段,經典計算機已經不能判斷量子計算結果,是否可以表述為經典和量子計算能力已經互不可比呢?

        此項實驗測試在浙江大學完成,器件設計制備、數據分析等由各單位協作完成,此工作得到國家重點研發計劃(No. 2017YFA0304300,No. 2016YFA0300600), 自然科學基金(No. 11725419,No. 11434008)及中科院先導專項(No. XDB28000000)等基金的支持。

        本文同等貢獻一作為:宋超(浙江大學),許凱(中科院物理所),李賀康(中科院物理所),通訊作者為:王浩華(浙江大學)、范桁(中科院物理所)、鄭東寧(中科院物理所)。

        參考文獻:Chao Song\(\dagger\), Kai Xu\(\dagger\), Hekang Li\(\dagger\), Yu-Ran Zhang, Xu Zhang, Wuxin Liu, Qiujiang Guo, Zhen Wang, Wenhui Ren, Jie Hao, Hui Feng, Heng Fan*, Dongning Zheng*, Da-Wei Wang, H. Wang*, Shi-Yao Zhu,
      Generation of multi-component atomic Schrödinger cat states of up to 20 qubits,
      Science 365, 574-577 (2019).

        鏈接:https://science.sciencemag.org/content/365/6453/574

        (\(\dagger\)表示同等貢獻,*表示通信作者)

      圖二:本示意圖背景為實驗所使用的具有20超導量子比特的處理器,中間部分對應量子態演化時其在布洛赫球上的分布。


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