量子真糾纏態(tài)比特?cái)?shù)目的發(fā)展歷史。 中國科大 供圖
中新網(wǎng)北京7月12日電 (記者 孫自法)繼2017年起先后完成10比特、12比特、18比特的真糾纏態(tài)制備之后，在量子科技領(lǐng)域一直走在世界前沿的中國科學(xué)家最近又刷新一項(xiàng)世界紀(jì)錄——成功實(shí)現(xiàn)51個(gè)超導(dǎo)量子比特簇態(tài)制備和驗(yàn)證，刷新所有量子系統(tǒng)中真糾纏比特?cái)?shù)目的世界紀(jì)錄，并首次演示了基于測(cè)量的變分量子算法。
這項(xiàng)多比特量子糾纏態(tài)制備方面取得的重大進(jìn)展，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(中國科大)中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉院士、朱曉波教授、彭承志研究員等組成的研究團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)前沿計(jì)算研究中心袁驍助理教授合作完成，相關(guān)研究成果論文北京時(shí)間7月12日夜間在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表。
本項(xiàng)研究將量子系統(tǒng)中真糾纏比特?cái)?shù)目的世界紀(jì)錄由原先的24個(gè)大幅突破至51個(gè)，既在數(shù)量增長上由此前個(gè)位數(shù)實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)的跨越，也充分展示出超導(dǎo)量子計(jì)算體系優(yōu)異的可擴(kuò)展性，對(duì)于研究多體量子糾纏、實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子算法以及基于測(cè)量的量子計(jì)算等具有重要意義。
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。 中國科大 供圖
潘建偉院士線上接受媒體集體采訪介紹說，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)的根本來源之一。多年以來，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的多量子比特糾纏一直是各國科學(xué)家奮力追求的目標(biāo)。自1998年人們首次利用核磁共振系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3比特糾纏態(tài)的制備開始，真多體糾纏態(tài)的制備成為包括光子、離子阱、金剛石氮空位色心、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。
潘建偉院士與中國科大科研團(tuán)隊(duì)代表在實(shí)驗(yàn)室交流研討。 中國科大 供圖
其中，超導(dǎo)量子比特具有規(guī)模化拓展的優(yōu)勢(shì)，近年來發(fā)展迅速。中國科學(xué)家在超導(dǎo)量子比特多體糾纏制備方面已取得一系列重要成果，自2017年起先后完成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。
潘建偉指出，量子糾纏是量子信息處理的核心資源，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，高連通性保證大規(guī)模量子態(tài)生成的可能性，避免因缺陷和連通性不足限制量子態(tài)規(guī)模；通過高保真量子門才能夠?qū)⒘孔颖忍剡B接起來形成高保真的多體量子糾纏態(tài)；高效的量子態(tài)表征則是克服隨比特?cái)?shù)指數(shù)級(jí)增長的量子態(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。由于難以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子系統(tǒng)性能、操控能力以及驗(yàn)證手段的這些要求，此前真糾纏比特的規(guī)模未能突破24個(gè)量子比特。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本次研究過程中，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)51比特簇態(tài)制備和驗(yàn)證，并且在高保真方面，最終51比特一維簇態(tài)保真度達(dá)到0.637±0.030，超過0.5糾纏判定閾值13個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。
同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還通過結(jié)合基于測(cè)量的變分量子本征求解器，開展對(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)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)。潘建偉稱，該測(cè)量方法可減小10個(gè)數(shù)量級(jí)的測(cè)量次數(shù)，“相當(dāng)于原來需要測(cè)量100億次，現(xiàn)在測(cè)量1次即可”。
至于之前“祖沖之二號(hào)”原型機(jī)量子芯片可操縱66比特、“祖沖之號(hào)”量子計(jì)算云平臺(tái)176比特上線，與最新51比特超導(dǎo)量子簇態(tài)制備和驗(yàn)證刷新世界紀(jì)錄給普通公眾帶來的數(shù)字上困惑，身兼“祖沖之號(hào)”量子計(jì)算總設(shè)計(jì)師的朱曉波教授解釋說，這些比特的數(shù)字不同，內(nèi)涵更不同，前兩者是指可操縱的比特?cái)?shù)目，而后者是指真糾纏、簇態(tài)的比特?cái)?shù)目，對(duì)量子計(jì)算更精準(zhǔn)、更可靠、更有效。他強(qiáng)調(diào)，量子計(jì)算未來發(fā)展，最難的不是提高比特?cái)?shù)目，而是與大規(guī)模比特?cái)?shù)目同步提高比特糾纏精度及有效性、可靠性。
潘建偉總結(jié)表示，10年來，中國科大團(tuán)隊(duì)在量子科技領(lǐng)域潛心研究、刻苦攻關(guān)，率先取得一系列具有國際影響力的重大原創(chuàng)成果。該團(tuán)隊(duì)未來將持續(xù)聚焦量子通信、量子計(jì)算、量子精密測(cè)量等世界科技前沿，在重大科學(xué)問題研究和關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)中不斷取得新突破，努力搶占科技制高點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)貢獻(xiàn)力量。
他透露，在具體目標(biāo)上，中國科大團(tuán)隊(duì)將基于前期取得的量子計(jì)算優(yōu)越性，近中期實(shí)現(xiàn)量子模擬應(yīng)用，遠(yuǎn)期研制出通用量子計(jì)算機(jī)。(完)
