12个超导量子比特的真纠缠首次制备并验证

最近，《物理评论快报》以“社论推荐”的形式发表了中国科技大学潘剑伟团队在基于光学和超导量子系统的纠缠态制备方面的两项实验成果:实现了综合性能最佳的量子点确定性纠缠光源和制备了世界上最大的超导量子比特纠缠态的12比特“团簇态”。

大规模量子计算技术的主要挑战是如何实现可伸缩性和高精度的量子态的制备和操纵。作为量子计算技术的核心指标，多比特量子纠缠一直是国际研究团队关注的焦点。然而，为了实现多量子位的纠缠，实验的每个环节(量子态的质量、操纵和测量)都需要保持很高的技术水平，并且随着量子位数量的增加，由噪声、串扰等因素引起的误差也随之增加，这给多量子系统的设计、处理和控制带来了巨大的挑战。

双光子纠缠是可扩展光量子信息处理的核心资源。其性能主要由纠缠保真度、产生和提取效率以及光子各向同性来衡量。中国科技大学潘剑伟教授及其同事陆朝阳、霍永恒等与国家纳米中心的戴青研究员合作，利用自组装半导体铟镓砷量子点实现了综合性能最佳的确定性纠缠光源。

图1同时结合了高纠缠保真度、高纯度和高全纯确定性纠缠光源

在超导量子计算领域，虽然谷歌和IBM在2018年初分别发布了72个和50个量子位量子芯片，但是量子位的性能和相应的实验结果至今还没有得到充分展示，主要是因为量子位之间的串扰在规模扩大后给实验带来了很大的挑战，成为当前的主要技术难点。此外，虽然基于IBM超导量子云平台的16位纠缠已经有过报道，但它不是真正的多体纠缠。经过测试，最多只能保持4个物体的真实纠缠。因此，能否制备更大规模的纠缠态成为衡量超导量子计算系统综合性能的重要指标。潘建伟教授和他的同事朱晓波、卢朝扬、彭承志设计加工了高质量的12位一维链超导比特芯片。并行逻辑门用于避免位之间的串扰，热循环用于消除不必要的两级系统对位性能的影响。首次制备并验证了12个超导比特的真实纠缠，保真度达到70%

图2超导芯片示意图

以上工作得到了科技部、中科院、国家自然科学基金、安徽省和上海市的支持。

论文链接:

量子点纠缠光源:https://journals . APS . org/PRL/abstract/10.1103/phys revlet . 122.113602

物理学报告选编

12超导量子比特纠缠态:https://journals . APS . org/PRL/abstract/10.1103/phys revlet . 122.110501

(中国科学院量子信息与量子科技创新研究所、合肥国家微尺度材料科学研究中心、研究室)