精準(zhǔn)操控量子比特?cái)?shù)目新紀(jì)錄誕生。近日，來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位的研究人員成功實(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。相關(guān)研究成果7月12日在線發(fā)表于《自然》雜志。

超導(dǎo)量子計(jì)算被普遍認(rèn)為是最有可能率先實(shí)現(xiàn)實(shí)用化量子計(jì)算的方案之一，因而備受關(guān)注。作為量子計(jì)算的基本單元——量子比特不同于非“0”即“1”的經(jīng)典比特，它可以“同時(shí)”處于“0”和“1”疊加態(tài)，即所謂“量子相干疊加態(tài)”。當(dāng)人們把量子疊加拓展到多量子比特體系，就自然導(dǎo)致了量子糾纏的概念。多個(gè)量子比特一旦實(shí)現(xiàn)了相干疊加，其代表的狀態(tài)空間將會(huì)隨著量子比特的數(shù)目增多而呈指數(shù)增長(zhǎng)。這被認(rèn)為是量子計(jì)算加速效應(yīng)的根源所在。

多年以來(lái)，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)。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。”中科院院士潘建偉說(shuō)，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。

量子真糾纏態(tài)比特?cái)?shù)目的發(fā)展歷史。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖

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)了51比特簇態(tài)制備和驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)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)模的擾動(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)。

潘建偉表示，這項(xiàng)研究將量子系統(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。