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

中新網(wǎng)北京7月12日電 繼2017年起先后完成10比特、12比特、18比特的真糾纏態(tài)制備之后,，在量子科技領(lǐng)域一直走在世界前沿的中國(guó)科學(xué)家最近又刷新一項(xiàng)世界紀(jì)錄——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,。

這項(xiàng)多比特量子糾纏態(tài)制備方面取得的重大進(jìn)展，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)(中國(guó)科大)中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉院士,、朱曉波教授,、彭承志研究員等組成的研究團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)前沿計(jì)算研究中心袁驍助理教授合作完成，相關(guān)研究成果論文北京時(shí)間7月12日夜間在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表,。

本項(xiàng)研究將量子系統(tǒng)中真糾纏比特?cái)?shù)目的世界紀(jì)錄由原先的24個(gè)大幅突破至51個(gè),，既在數(shù)量增長(zhǎng)上由此前個(gè)位數(shù)實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)的跨越，也充分展示出超導(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。

潘建偉院士線上接受媒體集體采訪介紹說，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比特糾纏態(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)模化擴(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,。中國(guó)科學(xué)家在超導(dǎo)量子比特多體糾纏制備方面已取得一系列重要成果,，自2017年起先后完成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。

潘建偉指出,，量子糾纏是量子信息處理的核心資源,，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),；高效的量子態(tài)表征則是克服隨比特?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,。

針對(duì)上述挑戰(zhàn),，本次研究過程中，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)51比特簇態(tài)制備和驗(yàn)證,，并且在高保真方面，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,。

同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還通過結(jié)合基于測(cè)量的變分量子本征求解器,，開展對(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)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)。潘建偉稱,，該測(cè)量方法可減小10個(gè)數(shù)量級(jí)的測(cè)量次數(shù),，“相當(dāng)于原來需要測(cè)量100億次，現(xiàn)在測(cè)量1次即可”,。

至于之前“祖沖之二號(hào)”原型機(jī)量子芯片可操縱66比特,、“祖沖之號(hào)”量子計(jì)算云平臺(tái)176比特上線，與最新51比特超導(dǎo)量子簇態(tài)制備和驗(yàn)證刷新世界紀(jì)錄給普通公眾帶來的數(shù)字上困惑,，身兼“祖沖之號(hào)”量子計(jì)算總設(shè)計(jì)師的朱曉波教授解釋說,，這些比特的數(shù)字不同，內(nèi)涵更不同,，前兩者是指可操縱的比特?cái)?shù)目,，而后者是指真糾纏、簇態(tài)的比特?cái)?shù)目,，對(duì)量子計(jì)算更精準(zhǔn),、更可靠、更有效,。他強(qiáng)調(diào),，量子計(jì)算未來發(fā)展，最難的不是提高比特?cái)?shù)目,，而是與大規(guī)模比特?cái)?shù)目同步提高比特糾纏精度及有效性,、可靠性。

潘建偉總結(jié)表示,，10年來，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)在量子科技領(lǐng)域潛心研究,、刻苦攻關(guān),，率先取得一系列具有國(guó)際影響力的重大原創(chuàng)成果。該團(tuán)隊(duì)未來將持續(xù)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。

他透露,，在具體目標(biāo)上,，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)將基于前期取得的量子計(jì)算優(yōu)越性，近中期實(shí)現(xiàn)量子模擬應(yīng)用,，遠(yuǎn)期研制出通用量子計(jì)算機(jī),。

（原標(biāo)題：刷新世界紀(jì)錄 中國(guó)科學(xué)家成功實(shí)現(xiàn)51比特超導(dǎo)量子簇態(tài)制備和驗(yàn)證）

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