我国成功实现51比特超导量子簇态制备和验证

7月13日，记者从中国科学院获悉，中国科学技术大学中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队与北京大学袁骁合作，近日成功实现了51个超导量子比特簇态制备和验证，刷新了所有量子系统中真纠缠比特数目的世界纪录，并首次演示了基于测量的变分量子算法。相关研究成果于7月12日在线发表在国际学术期刊《自然》上。

量子纠缠是量子力学中最神秘也是最基础的性质之一，同时是量子信息处理的核心资源，是量子计算加速效应的根本来源之一。多年以来，实现大规模的多量子比特纠缠一直是各国科学家奋力追求的目标。自1998年人们首次利用核磁共振系统实现3比特GHZ态的制备开始，真多体纠缠态的制备成为包括光子、离子阱、金刚石氮空位色心、中性原子及超导量子比特等各种物理系统规模化扩展的重要表征手段。其中，超导量子比特具有规模化拓展的优势，近年来发展迅速。

“然而，更大规模的真纠缠态制备要求高连通性的量子系统、高保真的多比特量子门以及高效准确的量子态保真度表征手段。”潘建伟介绍，高连通性保证了大规模量子态生成的可能性，避免因缺陷和连通性不足限制量子态规模；通过高保真量子门才能够将量子比特连接起来形成高保真的多体量子纠缠态；而高效的量子态表征是克服随比特数指数级增长的量子态规模复杂度、进行量子态保真度准确估计的重要保证。由于难以实现对量子系统性能、操控能力以及验证手段的这些要求，此前真纠缠比特的规模未能突破24个量子比特。

研究团队在前期构建的“祖冲之二号”超导量子计算原型机基础上，进一步将并行多比特量子门的保真度提高到99.05%、读取精度提高到95.09%，并结合研究团队所提出的大规模量子态保真度验证判定方案，成功实现了51比特簇态制备和验证。最终51比特一维簇态保真度达到0.637±0.030，超过0.5纠缠判定阈值13个标准差。

“这项工作将量子系统中真纠缠比特数目的纪录由原先的24个大幅刷新至51个，充分展示了超导量子计算体系优异的可扩展性。”潘建伟说，在此基础上，研究团队首次实现了基于测量的变分量子算法，为基于测量的量子计算方案走向实用奠定了基础。