進展超導量子比特多粒子糾纏逼近海森堡極限及量子模擬系列的進展

發佈時間：2022/04/27 12:56

近年來，超導量子計算發展迅速，大家關註的應用一般有兩個方向，量子算法的實現以及量子模擬多體系統的性質。利用超導量子比特實現多粒子糾纏，可展示系統同時控制多個量子比特的能力，且量子糾纏作為一種量子計算有用的資源，能方便製備會降低量子算法的實現難度，但是對於利用量子糾纏突破經典方法測量精度的標準量子極限，併進一步逼近海森堡極限的探索不多，這個方向即為量子計量學的內容。

量子計量學有着廣闊的應用前景，其目的是利用糾纏態，實現突破經典技術的精度極限，以期實現對某些物理量超高精度的測量。生活經驗告訴我們，直接用卡尺測量一張紙的厚度有一定的難度，但是測量一疊紙的厚度除以紙張層數則很容易地得到一張紙的厚度。量子計量學就是基於這種朴素的思想，比如考慮測量光量子比特的相位信息，如果這些光子是互相獨立的，根據統計的中心極限定理，則多次測量的精度只能達到散粒噪聲極限，也稱為標準量子極限，但是如果把這些光子全部糾纏起來形成特殊的多粒子糾纏態，其相位信息則被放大，如同多層紙張疊起來一樣，這時再測量相位信息即可突破標準量子極限，並可以接近受制於量子力學測不准原理限制的精度最終極限，一般稱之為海森堡極限，這種性質可以稱為量子計量學優勢。

對海森堡極限的逼近程度和實現探測的多粒子態的糾纏程度相關，但是多粒子糾纏大小的度量是一個複雜的問題，也依賴於人們所關註的具體應用，量子計量學優勢可以用量子費舍爾信息度量，也和糾纏大小直接相關。遺憾的是儘管高斯型壓縮態的糾纏與量子計量學優勢可以用線性壓縮繫數刻畫，但是對於過壓縮區域的非高斯糾纏態，線性壓縮繫數無法判斷是否存在多體糾纏。近年來，人們註意到可以將壓縮繫數從原始概念的線性，推廣為非線性壓縮繫數，能很好地刻畫非高斯態的糾纏度，並和量子計量學優勢直接相關，但受制於多量子比特單發測量的實驗難度，非線性壓縮繫數的測量並沒有在各種多粒子糾纏體系中實現。

多粒子糾纏可以用超導量子比特實現，人們是否可以獲得具有高量子計量學優勢的特殊糾纏態呢？

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心固態量子信息與計算實驗室Q03組許凱副研究員，範桁研究員，超導國家重點實驗室SC5組鄭東寧研究員，與浙江大學王浩華教授團隊，及日本理研張煜然博士、野理(Nori)教授等合作，利用具有20超導量子比特的器件，在物理所新搭建的超導量子計算平臺，成功實現了超導量子比特多粒子糾纏態的製備，並結合體系的測量優勢，首次實現了非線性壓縮繫數的測量。

實驗表明，製備19比特非高斯壓縮態，可以實現非常接近海森堡極限的精度，其獲得的量子優勢是同比特數目的實驗結果中最好的，見圖一，所達到的量子計量學優勢可以和其它系統成千上萬粒子數的糾纏體系比擬，顯示了超導量子計算技術的先進性，相關成果於近期發表於Phys. Rev. Lett. 128, 150501 (2022).

另外，中國科學院物理研究所範桁研究員、博士生孫政杭與中國科學技術大學朱曉波教授、潘建偉教授團隊合作，基於24比特梯子結構的超導量子器件，實現了一維XX和梯子XX兩種不同性質模型的量子模擬，分別觀測到了量子熱化、信息擾動（information scrambling）和可積系統的非各態歷經動力學特征，物理所團隊負責其中的理論方案，成果於近期發表於Phys. Rev. Lett. 128, 160502 (2022).

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圖一. 箭頭所指星號是本工作所達到的量子計量學優勢，結果顯示利用19個超導量子製備的糾纏態，比起其它實驗更逼近陰影邊界所顯示的海森堡極限，上圖為文章附件內容。

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圖二. 器件中19個量子比特位置，其相互耦合強度信息，以及測量線性和非線性壓縮繫數，量子費舍爾信息時的實驗操作步驟。

圖三. 10個超導量子比特糾纏態的線性和非線性壓縮繫數，以及量子費舍爾信息的測量結果對比，量子比特在不同時間點的分佈。

圖四. 19個量子比特測量量子費舍爾信息的線路圖，其分佈函數的結果展示。

上述兩項工作分別得到了松山湖材料實驗室北京分部，中科院拓撲量子計算卓越中心和先導B專項，北京量子信息科學研究院，國家自然科學基金的支持。

參考文獻：
[1] Kai Xu#, Yu-Ran Zhang#, Zheng-Hang Sun#, Hekang Li, Pengtao Song, Zhongcheng Xiang, Kaixuan Huang, Hao Li, Yun-Hao Shi, Chi-Tong Chen, Xiaohui Song, Dongning Zheng, Franco Nori*, H. Wang*, and Heng Fan*.
Metrological characterization of non-Gaussian entangled states of superconducting qubits,
Physical Review Letters 128, 150501 (2022).

[2] Qingling Zhu#, Zheng-Hang Sun#, Ming Gong#, Fusheng Chen, Yu-Ran Zhang, Yulin Wu, Yangsen Ye, Chen Zha, Shaowei Li, Shaojun Guo, Haoran Qian, He-Liang Huang, Jiale Yu, Hui Deng, Hao Rong, Jin Lin, Yu Xu, Lihua Sun, Cheng Guo, Na Li, Futian Liang, Cheng-Zhi Peng, Heng Fan*, Xiaobo Zhu*, Jian-Wei Pan*,
Observation of thermalization and information scrambling in a superconducting quantum processor.

編輯：just_iu

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