中科院等科學(xué)家實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)多量子比特糾纏逼近海森堡極限

2022-04-29 21:18:50來(lái)源：觀察者網(wǎng)

據(jù)中科院物理研究所網(wǎng)站27日消息，近年來(lái)，超導(dǎo)量子計(jì)算發(fā)展迅速，量子算法的實(shí)現(xiàn)以及量子模擬多體系統(tǒng)的性質(zhì)引起關(guān)注。

據(jù)資料顯示，海森堡極限（Heisenberg limit）由由量子力學(xué)創(chuàng)始人之一、德國(guó)物理學(xué)家沃納·卡爾·海森堡（Werner Karl Heisenberg）在1927年提出，指測(cè)量精度可以隨測(cè)量中使用的能量成比例的最佳速率，是量子力學(xué)中的測(cè)不準(zhǔn)原理，也可稱為不確定性原理（Uncertainty principle）。

利用超導(dǎo)量子比特實(shí)現(xiàn)多粒子糾纏，可展示系統(tǒng)同時(shí)控制多個(gè)量子比特的能力，并且量子糾纏作為一種量子計(jì)算有用的資源，其方便制備會(huì)降低量子算法的實(shí)現(xiàn)難度，但是對(duì)于利用量子糾纏突破經(jīng)典方法測(cè)量精度的標(biāo)準(zhǔn)量子極限，并進(jìn)一步逼近海森堡極限的探索較少，該方向即為量子計(jì)量學(xué)的內(nèi)容。

量子計(jì)量學(xué)有廣闊應(yīng)用前景，其目的是利用糾纏態(tài)實(shí)現(xiàn)突破經(jīng)典技術(shù)的精度極限，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量超高精度的測(cè)量。眾所周知，直接用卡尺測(cè)量一張紙的厚度有一定難度，但是測(cè)量一疊紙的厚度除以紙張層數(shù)則得到一張紙的厚度較容易，量子計(jì)量學(xué)即基于這種樸素的思想。

圖2. 器件中19個(gè)量子比特位置，其相互耦合強(qiáng)度信息，以及測(cè)量線性和非線性壓縮系數(shù)，量子費(fèi)舍爾信息時(shí)的實(shí)驗(yàn)操作步驟

例如，考慮測(cè)量光量子比特的相位信息，如果這些光子是互相獨(dú)立的，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的中心極限定理，則多次測(cè)量的精度只能達(dá)到散粒噪聲極限，也稱為標(biāo)準(zhǔn)量子極限，但如果把這些光子全部糾纏起來(lái)形成特殊的多粒子糾纏態(tài)，其相位信息則被放大，如同多層紙張疊起來(lái)一樣，這時(shí)再測(cè)量相位信息即可突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限，并可以接近受制于量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)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(zhì)可以稱為量子計(jì)量學(xué)優(yōu)勢(shì)。

圖3.10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏態(tài)的線性和非線性壓縮系數(shù)，以及量子費(fèi)舍爾信息的測(cè)量結(jié)果對(duì)比，量子比特在不同時(shí)間點(diǎn)的分布

對(duì)海森堡極限的逼近程度和實(shí)現(xiàn)探測(cè)的多粒子態(tài)的糾纏程度相關(guān)，但是多粒子糾纏大小的度量較復(fù)雜，并依賴于人們所關(guān)注的具體應(yīng)用，量子計(jì)量學(xué)優(yōu)勢(shì)可以用量子費(fèi)舍爾信息度量，也和糾纏大小直接相關(guān)。盡管高斯型壓縮態(tài)的糾纏與量子計(jì)量學(xué)優(yōu)勢(shì)可以用線性壓縮系數(shù)刻畫(huà)，但是對(duì)于過(guò)壓縮區(qū)域的非高斯糾纏態(tài)，線性壓縮系數(shù)無(wú)法判斷是否存在多體糾纏。近年來(lái)，可以將壓縮系數(shù)從原始概念的線性推廣為非線性壓縮系數(shù)，能較好地刻畫(huà)非高斯態(tài)的糾纏度，并和量子計(jì)量學(xué)優(yōu)勢(shì)直接相關(guān)，但受制于多量子比特單發(fā)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)難度，非線性壓縮系數(shù)的測(cè)量并沒(méi)有在各種多粒子糾纏體系中實(shí)現(xiàn)。

圖4.19個(gè)量子比特測(cè)量量子費(fèi)舍爾信息的線路圖，其分布函數(shù)的結(jié)果展示

多粒子糾纏可以用超導(dǎo)量子比特實(shí)現(xiàn)，是否可以獲得具有高量子計(jì)量學(xué)優(yōu)勢(shì)的特殊糾纏態(tài)？

最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心固態(tài)量子信息與計(jì)算實(shí)驗(yàn)室副研究員許凱、研究員范桁，超導(dǎo)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員鄭東寧，浙江大學(xué)教授王浩華團(tuán)隊(duì)與日本科研人員等合作，利用具有20超導(dǎo)量子比特的器件，在物理所新搭建的超導(dǎo)量子計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)量子比特多粒子糾纏態(tài)的制備，并結(jié)合體系的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，首次實(shí)現(xiàn)了非線性壓縮系數(shù)的測(cè)量。

圖1.箭頭所指星號(hào)是本工作所達(dá)到的量子計(jì)量學(xué)優(yōu)勢(shì)，結(jié)果顯示利用19個(gè)超導(dǎo)量子制備的糾纏態(tài)，比起其它實(shí)驗(yàn)更逼近陰影邊界所顯示的海森堡極限，上圖為文章附件內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)表明，制備19比特非高斯壓縮態(tài)可以實(shí)現(xiàn)十分接近海森堡極限的精度，其獲得的量子優(yōu)勢(shì)是同比特?cái)?shù)目的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中最好的（圖1），所達(dá)到的量子計(jì)量學(xué)優(yōu)勢(shì)可以和其它系統(tǒng)成千上萬(wàn)粒子數(shù)的糾纏體系比擬，顯示了超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)的先進(jìn)性，相關(guān)成果于近期發(fā)表于Physical Review Letters【Phys. Rev. Lett. 128, 150501 (2022).】上。

此外，范桁、物理所博士生孫政杭與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波、教授潘建偉團(tuán)隊(duì)合作，基于24比特梯子結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)量子器件，實(shí)現(xiàn)了一維XX和梯子X(jué)X兩種不同性質(zhì)模型的量子模擬，分別觀測(cè)到了量子熱化、信息擾動(dòng)（information scrambling）和可積系統(tǒng)的非各態(tài)歷經(jīng)動(dòng)力學(xué)特征，相關(guān)成果于近期發(fā)表在Physical Review Letters【Phys. Rev. Lett. 128, 160502 (2022).】上。

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