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，并首次演示了基于測(cè)量的變分量子算法。該工作將量子系統(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。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》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(guó)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GHZ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)?；瘮U(kuò)展的重要表征手段。其中，超導(dǎo)量子比特具有規(guī)?；卣沟膬?yōu)勢(shì)，近年來發(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)；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。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。

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)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)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0.5糾纏判定閾值13個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過結(jié)合基于測(cè)量的變分量子本征求解器，開展了對(duì)于小規(guī)模擾動(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)。

該研究工作得到科技部、安徽省、上海市、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院等的資助。

2013年7月17日，習(xí)近平總書記視察中國(guó)科學(xué)院時(shí)提出了“四個(gè)率先”的要求。習(xí)近平總書記高度關(guān)心量子科技的發(fā)展，指出“要充分認(rèn)識(shí)推動(dòng)量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢(shì)，下好先手棋”。十年來，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)認(rèn)真落實(shí)總書記對(duì)量子科技的重要指示要求，潛心研究、刻苦攻關(guān)，取得了一系列具有國(guó)際影響力的重大原創(chuàng)成果。未來，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)將繼續(xù)發(fā)揮國(guó)家戰(zhàn)略科技力量主力軍作用，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。

量子真糾纏態(tài)比特?cái)?shù)目的發(fā)展歷史

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