刷新世界纪录 中国科学家成功实现51比特超导量子簇态制备和验证

醉古意

量子真纠缠态比特数目的发展历史。　中国科大 供图

中新网北京7月12日电 (记者 孙自法)继2017年起先后完成10比特、12比特、18比特的真纠缠态制备之后，在量子科技领域一直走在世界前沿的中国科学家最近又刷新一项世界纪录——成功实现51个超导量子比特簇态制备和验证，刷新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。
这项多比特量子纠缠态制备方面取得的重大进展，由中国科学技术大学(中国科大)中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟院士、朱晓波教授、彭承志研究员等组成的研究团队与北京大学前沿计算研究中心袁骁助理教授合作完成，相关研究成果论文北京时间7月12日夜间在国际著名学术期刊《自然》在线发表。
本项研究将量子系统中真纠缠比特数目的世界纪录由原先的24个大幅突破至51个，既在数量增长上由此前个位数实现两位数的跨越，也充分展示出超导量子计算体系优异的可扩展性，对于研究多体量子纠缠、实现大规模量子算法以及基于测量的量子计算等具有重要意义。

利用“祖冲之二号”完成的51比特一维簇态制备的线路及量子态保真度结果。　中国科大 供图

潘建伟院士线上接受媒体集体采访介绍说，量子纠缠是量子力学中最神秘也是最基础的性质之一，同时也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比特纠缠态的制备开始，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。

潘建伟院士与中国科大科研团队代表在实验室交流研讨。　中国科大 供图

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。中国科学家在超导量子比特多体纠缠制备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比特的真纠缠态制备，不断刷新超导量子计算领域的纠缠比特数目纪录。
潘建伟指出，量子纠缠是量子信息处理的核心资源，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，高连通性保证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；高效的量子态表征则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。
针对上述挑战，本次研究过程中，研究团队在前期构建的“祖冲之二号”超导量子计算原型机的基础上，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51比特簇态制备和验证，并且在高保真方面，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。
同时，研究团队还通过结合基于测量的变分量子本征求解器，开展对于小规模的扰动平面码的本征能量的求解，首次实现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。潘建伟称，该测量方法可减小10个数量级的测量次数，“相当于原来需要测量100亿次，现在测量1次即可”。
至于之前“祖冲之二号”原型机量子芯片可操纵66比特、“祖冲之号”量子计算云平台176比特上线，与最新51比特超导量子簇态制备和验证刷新世界纪录给普通公众带来的数字上困惑，身兼“祖冲之号”量子计算总设计师的朱晓波教授解释说，这些比特的数字不同，内涵更不同，前两者是指可操纵的比特数目，而后者是指真纠缠、簇态的比特数目，对量子计算更精准、更可靠、更有效。他强调，量子计算未来发展，最难的不是提高比特数目，而是与大规模比特数目同步提高比特纠缠精度及有效性、可靠性。
潘建伟总结表示，10年来，中国科大团队在量子科技领域潜心研究、刻苦攻关，率先取得一系列具有国际影响力的重大原创成果。该团队未来将持续聚焦量子通信、量子计算、量子精密测量等世界科技前沿，在重大科学问题研究和关键核心技术攻关中不断取得新突破，努力抢占科技制高点，为实现高水平科技自立自强贡献力量。
他透露，在具体目标上，中国科大团队将基于前期取得的量子计算优越性，近中期实现量子模拟应用，远期研制出通用量子计算机。(完)

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