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中国科学院和浙江大学20超导量子比特薛定谔猫态制备进展
2019-08-13作者:浏览次数:52  来源:中国科学院
仪器设备网资讯中心讯:
中科院物理所研究员范桁、郑东宁、副研究员许凯、博士生李贺康(现浙江大学博士后)、博士张煜然(现北京计算科学研究中心博士后),与浙江大学博士生宋超、教授王浩华、王大伟、中科院院士朱诗尧,以及中科院自动化所研究员蒿杰、助理研究员冯卉等通力合作,经过近两年的器件设计、制造、实验控制、操作和数据处理,全球量子纠缠量子比特数成功增加到20个。特别是在GHz状态下制作了18个量子比特,其保真度超过了GHz多体纠缠态。给出了标准阈值,首次给出了20个量子比特和5个分量的薛定谔猫态。这一成就推动了固态系统中GHz纠缠量子比特从10位到18位以及薛定谔猫比特到20位的世界纪录。研究结果于8月9日发表在国际学术期刊《科学》365,574-577(2019)上。
中国科学院和浙江大学20超导量子比特薛定谔的猫态制备进展
与此同时,哈佛大学Mikhail Lukin小组对20个量子比特薛定谔猫态的研究(Science 365,570-574(2019))在《科学》杂志上连续出版。他们用里德堡原子制备了薛定谔猫态,并证明了GHz态的纠缠数可以达到20个量子比特。此外,IBM超导量子计算团队(arxiv:1905.05720)的预印本还报道了其在制备20位纠缠态方面的实验工作。数据表明,18位GHz纠缠的保真度超过了多体真实纠缠的阈值标准(0.5),这与浙江大学和物理研究所的研究团队的研究结果基本一致。它是平的。三篇文章中报告的纠缠态比特数基本处于同一水平,几乎同时发送到预印库(arxiv:1905.00320,浙江大学物理研究所小组5月1日提交;arxiv:1905.05720,IBM小组5月14日提交;arxiv:1905.05720,IBM小组5月14日提交;arxiv:1905.05721,5月14日哈佛团队提交,反映了纠缠态的准备。多量子比特的相干处理是目前的主要目标之一。
薛定谔猫(状态)起源于量子力学的奠基人之一薛定谔提出的一个著名的假设实验,该实验假定微观粒子状态0,1与猫在宏观生命状态下的死亡和生命有关,形成了一个连贯的支持。量子态的位置,0猫活1猫死,那么猫既不是死的也不是死的。同时,薛定谔猫态与爱因斯坦-波多尔斯基-罗森(EPR)对00 11的量子纠缠态相似,只是1990年爱因斯坦-波多尔斯基-罗森提出的GHz态是薛定谔猫态和EPR对的直接扩展。然而,指出了全局纠缠的概念,因为在不考虑第三粒子的情况下,任意两个处于GHz状态的粒子之间没有量子纠缠,只有经典相关,因此这三个粒子是全局纠缠的。因为这些概念相互关联,量子态的具体形式基本相同,现在多粒子纠缠态00。0 11…1)称为多比特GHz状态,或双组分薛定谔猫态。类似的多组分叠加态统称为薛定谔猫态。本文采用本协议。图1显示了薛定谔猫态和GHz态。
一方面,利用多量子比特GHz和薛定谔猫态的制备,可以探索量子力学的基本问题,例如验证量子态的非局域性和互文性(上下文性,指两种不可重复的测量算符)。OCAL和系统的测量结果取决于两次测量的顺序),以及其他原理,如贝尔不等式。另一方面,如果能制备出各种纠缠态,如团簇态,则可以根据特定的时间序列,通过单量子比特测量,即单向量子计算,大大降低了量子计算的难度,因此多量子比特纠缠态的制备是实现单矢量量子计算的技术。基础知识。
实验装置中集成了20个超导量子比特。请参阅示意图。平均相干时间为34微秒,均超过20微秒,高达51微秒。它们大多数集中在30微秒以上。所有量子比特都能与相同的谐振器相互作用,谐振器的耦合参数几乎相同。等同性反应了器件的制备过程是稳定的,有利于制备GHz态和薛定谔猫态。每个量子位都可以精确调节。通过随机旋转操作校准的单位逻辑门的保真度大于0.99,平均值为0.996,相干时间长,操作精度高,读数准确,共振相同。频率等是成功实验的重要基础。器件量子比特的多对多配置能在任意两个量子比特之间产生纠缠和相互作用,有利于实现各种量子计算方案,模拟各种量子现象。图2显示了20个量子位的超导量子处理器和量子态演化中的布洛赫球分布。实验中,在布洛赫球赤道X向的叠加态下,精确地制备了每个量子比特。然后所有的量子比特都是根据哈密顿系统演化而来的。根据器件结构和参数,系统哈密顿量等于z算符和的平方。量子态会在不同的时间产生一个自旋压缩态。有5,4,3,2个组分叠加在薛定谔猫态的每个点上。薛定谔猫态的两个组成部分是GHz态。
GHz状态是一种多体纠缠状态。其纠缠准则对应于制备的量子态和目标态的保真度超过0.5。它需要非常高的实验精度。保真度由占用数和相干量两部分组成。以占有数为例,给出了18个量子比特的218种占有概率分布。通常需要测量223次才能得到概率分布,即测量800万次。其中一半必须得到正确的结果,而其他分布几乎是随机的,可以忽略不计。18个量子比特的保真度约为0.525(0.005),证明了18个量子比特的GHz。它是多体真实纠缠,也就是说,这种纠缠不是某些比特之间纠缠的结果,而是GHz特有的全局纠缠。
量子态的演化过程可以直观地用布洛赫球中多量子比特分布的q函数来描述。结果表明,在不同的时间点,量子态演化为多组分薛定谔猫态,其组分分别为2、3、4和5。其中5个是第一次观测到的,因此实验中实现了20个量子。20位薛定谔猫态的量子性质可以由魏格纳函数确定。证明了20位薛定谔猫态的制备是成功的。参见图1。
谷歌和IBM选择超导量子比特作为实现量子计算的技术途径。这个团队很强大。在过去,媒体报道谷歌已经完成了72个超导量子比特设备。IBM已经生产了大约50个量子比特设备。这个IBM团队的论文展示了20个量子位设备的使用。GHz状态的保真度可以达到18个量子比特,略低于浙江大学物理研究所的团队。然而,IBM团队使用逻辑门操作来准备GHz状态,这在技术上具有挑战性。哈佛大学Lukin小组在同一时期使用了Rydberg原子,通过优化控制和补偿检测效率实现了20个。量子比特薛定谔猫态和GHz态。一般来说,在这个阶段,每个团队的精度和实验技术基本上处于同一水平。
有噪声的小尺度量子计算还没有达到超越经典计算机的水平,但是有噪声的20量子比特的动力学一直难以被经典计算机模拟。比特信息存储已达到现有计算机的上限,并将随着量子比特的数量成倍增长。在这个阶段,经典计算机已经不能判断量子计算的结果了,它能否表现为经典计算机和量子计算能力已经不可比拟了?
实验在浙江大学完成。设备的设计和准备以及数据分析均与各单位合作进行。国家重点研究开发项目(2017YFA0304300、2016YFA030600)、国家自然科学基金(11725419号、11434008号)和科学院试点项目(编号:XDB2800)支持了这项工作。
中国科学院和浙江大学20超导量子比特薛定谔的猫态制备进展
图1:量子态的时间演化。在不同的时间点制备了薛定谔猫态和GHz态。将上、下线a和b与数值模拟和实验结果进行了比较。C部分给出了薛定谔猫态的量子验证。这个数字来自科学地图。
中国科学院和浙江大学20超导量子比特薛定谔的猫态制备进展
图2:这个示意图的背景是一个在实验中使用了20个超导量子位的处理器。中间部分对应于布洛赫球在量子态演化过程中的量子态分布。

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