基於光和超導量子比特的糾纏態製備取得進展

近日，《物理評論快報》在同一期以「編輯推薦」的形式發表了中國科學技術大學潘建偉團隊在基於光和超導量子體系糾纏態製備方面的兩項實驗成果：實現了綜合性能最優的量子點確定性糾纏光源和國際上最大規模超導量子比特糾纏態12比特「簇態」的製備。

大規模量子計算技術的主要挑戰是如何可擴展和高精度地實現量子態的製備與操控。多比特量子糾纏作為量子計算技術的核心指標，一直是國際各研究團隊競相角逐的焦點。然而，要實現多個量子比特的糾纏，需要實驗的每個環節（量子態的品質、操控和測量）都保持極高的技術水平，並且隨著量子比特數目的增加，雜訊和串擾等因素帶來的錯誤也隨之增加，這對多量子體系的設計、加工和調控帶來了巨大的挑戰。

雙光子糾纏是可擴展光量子信息處理的核心資源，其性能的主要衡量指標有糾纏保真度、產生和提取效率以及光子全同性。潘建偉及其同事陸朝陽、霍永恆等與國家納米科學中心研究員戴慶合作，利用自組裝半導體銦鎵砷量子點實現了目前綜合性能最優的確定性糾纏光源[Phys. Rev. Lett.122, 113602 (2019)]。研究人員通過設計寬頻「靶眼」諧振腔，利用雙光子脈衝共振激發，首次實現了保真度90%、產生效率59%，提取效率62%，光子不可分辨性90%的糾纏光源。該實驗中發展的高品質糾纏光源技術，未來將可進一步應用於高效率多光子糾纏實驗和遠距離量子通信等方面。該工作被美國物理學會旗下在線新聞網站「物理」（Physics）以「量子點器件結合了產生糾纏光源的所有必要的屬性」為題進行了精選報道（Featured in Physics）。

在超導量子計算方面，雖然2018年初Google和IBM分別發布了72和50量子比特的量子晶元，但是至今仍未能完整展示量子比特性能和相應的實驗結果，主要是因為規模擴展後量子比特間的串擾（cross talk）給實驗帶來了巨大挑戰，成為當前的主要技術難點。此外，雖有此前報道了基於IBM超導量子云平台的16比特糾纏，但其並不是真正的多體糾纏（genuine multipartite entanglement），經過測試，其至多只能保持4體的真正糾纏。因此，能否製備更大規模糾纏態成為衡量超導量子計算系統綜合性能的重要指標。潘建偉及其同事朱曉波、陸朝陽、彭承志等通過設計和加工高品質的12比特一維鏈超導比特晶元，並且採用並行邏輯門操作方式避免比特間的串擾，以及熱循環操作去除不需要的二能級系統對於比特性能的影響，首次製備並驗證了12個超導比特的真糾纏，保真度達到70%[Phys. Rev. Lett.122, 110501 (2019)]，打破了2017年由中國科大、浙江大學、中科院物理研究所聯合研究組創造的10個超導量子比特糾纏的記錄。這也是目前固態量子系統中規模最大的多體糾纏態，可為下一步實現大規模隨機線路採樣和可擴展單向量子計算奠定基礎。

上述工作得到科技部、中科院、國家自然科學基金委、安徽省和上海市等的資助。

圖1 同時結合高糾纏保真度、高純度和高全同度的確定性糾纏光源

圖2 超導晶元示意圖

來源：中國科學技術大學

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