特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
隨著量子比特數量的增加，真正的多量子比特糾纏的可擴展生成對于量子信息技術的基本利益和實際應用都很重要。一方面，多量子糾纏表現出量子力學的預測與局域實現之間的強烈矛盾，可用于量子到經典轉變的研究。另一方面，實現大規模糾纏是量子系統質量和可控性的標桿，對于實現通用量子計算至關重要。然而，在最先進的量子設備上可擴展地生成真正的多量子糾纏可能具有挑戰性，需要精確的量子門和高效的驗證協議。
基于此，中科大潘建偉等人展示了一種用于在66量子位超導量子處理器上準備和驗證中等規模的真實糾纏的可擴展方法。作者使用高保真度并行量子門，并將并行單量子位門和雙量子位門的保真度分別優化為 99.91% 和 99.05%。通過有效的隨機保真度估計，實現了51量子位一維和30量子位二維簇狀態，并分別實現了0.637±0.030和0.671±0.006的保真度。在高保真簇態的基礎上，進一步展示了用于擾動平面碼的基于測量的變分量子本征求解器的原理驗證實現。該工作提供了一種可行的方法來準備和驗證數百個量子位的糾纏，從而利用超導量子系統實現中等規模的量子計算。
多量子位糾纏
作者提出了一項系統研究，以準備具有不同系統大小的一維和二維簇狀態，并驗證最多51個量子位的真正糾纏。實驗的成功依賴于實驗和理論的改進。首先，在具有可調耦合架構的高性能二維量子處理器上實現了高保真并行雙量子位門，顯著減少了生成糾纏的操作時間。其次，應用了高效、準確的讀數校準過程，消除了大部分錯誤。第三，使用隨機保真度估計來驗證真正的糾纏，這顯著減少了狀態驗證的測量數量。這些改進使得能夠使用近期量子器件一致地生成和驗證真正糾纏的一維和二維簇狀態。
圖 集群狀態的生成和驗證
量子處理器性能
作者在具有可調諧耦合結構的66量子位超導量子處理器上進行了實驗。利用最先進的量子器件的先進功能，包括可調諧耦合器的設計和倒裝芯片技術的應用，在柵極操作期間實現了超低串擾。因此，可以同時在相鄰的量子位對之間應用CZ門。使用可調諧耦合器來執行CZ門，獲得了高保真并行門，這種高水平的量子門保真度為生成真正的多量子位糾纏態提供了基礎。
圖 量子處理器的性能
一維和二維簇狀態的生成和驗證
作者首先準備了具有3至51個量子位的一維簇狀態，展示了其拓撲狀態。作者繪制了生成的3至51量子位一維簇狀態的保真度，觀察到不同尺寸的估計保真度均高于0.5。特別是，51量子位簇狀態的保真度為0.637±0.030，置信區間為99.7%。接下來，考慮了二維簇狀態的準備和驗證。考慮了5到30個量子位的2D簇狀態的準備。不同尺寸的估計保真度均高于0.5，30量子位2D簇狀態的保真度為0.671±0.006。
圖 真實一維和二維簇狀態的生成和驗證
擾動平面碼MBVQE的原理驗證
高保真簇態的準備在量子計算中起著重要作用。基于測量的變分量子本征求解器 (MBVQE)利用基于測量和變分量子計算的思想，并使用淺電路解決本征態問題。在這里，作者演示了針對擾動平面碼的MBVQE原理驗證實現。MBVQE的基本思想是用更多的糾纏輔助來擴展H0的簇態，在參數化的基礎上測量輔助態并應用前饋操作來準備H(λ)的基態。作者繪制了實驗發現的狀態的能量，這與精確解一致，驗證了原理的實現。
圖 擾動平面碼 MBVQE 的原理驗證實現
參考文獻：
Cao, S., Wu, B., Chen, F. et al. Generation of genuine entanglement up to 51 superconducting qubits. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06195-1
