我国学者实现20个超导量子比特的薛定谔猫态纠缠

国家自然科学基金委员会

在国家自然科学基金项目（批准号：11725419，11434008）等资助下，由浙江大学、中国科学院物理研究所、中国科学院自动化研究所、北京计算科学研究中心等国内单位组成的联合团队通力合作，开发出具有20 个超导量子比特的量子芯片，并成功操控其实现纠缠，刷新了固态量子器件中生成纠缠态的量子比特数目的世界纪录。该成果以“Generation of Multicomponent Atomic Schr?dinger Cat States of up to 20 Qubits”（多达20个量子比特的多组份原子薛定谔猫态的制备）为题，于2019年8月发表在Science（《科学》）杂志上。

量子纠缠是量子力学中最为重要的概念之一。一方面，它们可被用于量子力学基本问题的探索，验证量子态非定域性和互文性等原理；另一方面，纠缠态的制备是实现量子纠错、量子算法以及容错量子计算的技术基础。多比特量子纠缠态，特别是Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态的实验制备，是衡量量子计算平台控制能力的关键指标，国际竞争尤为激烈。超导量子计算平台可集度高、相干时间长、操控精确，是研究多比特量子纠缠的理想实验平台。

我国联合团队经过近两年的器件设计、制备与标定，开发出了高性能的20比特超导量子芯片。芯片通过一个中心谐振腔实现了任意两比特间的可调耦合。利用这一性质，团队研究人员设计实现了一个单轴压缩的哈密顿量（one-axis twisting Hamiltonian）。根据该哈密顿量，初态被制备到相干态的多比特系统会首先演化到自旋压缩态，然后在不同时间点依次演化到有5、4、3和2个组份叠加的原子薛定谔猫态，其中两组份的薛定谔猫态就是GHZ态。实验成功制备了18个量子比特的GHZ态，保真度超过GHZ多体真纠缠的判据阈值0.5；实验还首次生成了20个量子比特的5组份原子薛定谔猫态，其量子特性由实验测量的魏格纳函数（Wigner function）证明。该工作最早于5月1日公布于预印本网站（arXiv:1905.00320）。随后，美国IBM超导量子计算团队（arXiv:1905.05720）和哈佛大学里德堡原子团队（arXiv:1905.05721）于5月14日相继在预印本网站公布了类似的实验结果。

20比特超导量子芯片的成功研制以及实验所展示的多比特纠缠态调控技术，为未来发展大规模集成量子计算芯片和展示有量子加速能力的特定量子模拟和量子算法应用奠定了基础。