近日，我國(guó)科學(xué)家聯(lián)合國(guó)際科研人員實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)多量子比特糾纏逼近海森堡極限，展示了超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)精確操控多量子比特的能力，有望應(yīng)用于量子計(jì)量學(xué)。
海森堡極限是受制于量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)原理限制的精度最終極限。量子力學(xué)中的測(cè)不準(zhǔn)原理，也可稱(chēng)為不確定性原理，由量子力學(xué)創(chuàng)始人之一、德國(guó)物理學(xué)家海森堡在1927年提出。
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。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，該研究方向?yàn)榱孔佑?jì)量學(xué)領(lǐng)域的內(nèi)容。
量子計(jì)量學(xué)有廣闊的應(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。如果直接用卡尺測(cè)量一張紙的厚度有一定難度，但測(cè)量一疊紙的厚度除以紙張層數(shù)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。
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，即標(biāo)準(zhǔn)量子極限。但如果把光子全部糾纏起來(lái)，形成特殊的多粒子糾纏態(tài)，其相位信息則被放大，如同將多層紙張疊起來(lái)，這時(shí)再測(cè)量相位信息即可突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限，并可以接近海森堡極限，這種性質(zhì)可稱(chēng)為量子計(jì)量學(xué)優(yōu)勢(shì)。
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(lài)于具體應(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)。
如果多粒子糾纏可以用超導(dǎo)量子比特實(shí)現(xiàn)，能否獲得具有高量子計(jì)量學(xué)優(yōu)勢(shì)的特殊糾纏態(tài)？
此次，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，利用多量子比特器件中的10個(gè)和19個(gè)超導(dǎo)量子比特，成功制備出逼近量子計(jì)量學(xué)中海森堡極限的非高斯壓縮態(tài)，并首次實(shí)現(xiàn)了糾纏態(tài)中非線性壓縮系數(shù)的測(cè)量。其中，19個(gè)量子比特糾纏態(tài)所獲得的量子計(jì)量?jī)?yōu)勢(shì)明顯優(yōu)于其它系列工作，創(chuàng)造了同量級(jí)比特?cái)?shù)量子計(jì)量?jī)?yōu)勢(shì)的世界紀(jì)錄。相關(guān)成果近日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。
此前，中科院物理研究所、北京量子信息科學(xué)研究院量子計(jì)算云平臺(tái)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于超導(dǎo)量子計(jì)算研究，曾合作制備出20超導(dǎo)量子比特薛定諤貓態(tài)，刷新了固態(tài)系統(tǒng)多粒子糾纏世界紀(jì)錄。
本次研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)利用前述具有全聯(lián)通20個(gè)超導(dǎo)量子比特的器件，分別使用了其中10個(gè)和19個(gè)超導(dǎo)量子比特，在中科院物理所新搭建的超導(dǎo)量子計(jì)算平臺(tái)制備出具有量子計(jì)量學(xué)優(yōu)勢(shì)的壓縮態(tài)，以及處于過(guò)壓縮區(qū)域的非高斯壓縮態(tài)，并測(cè)量了此非高斯壓縮態(tài)的非線性壓縮系數(shù)，這是實(shí)驗(yàn)中首次成功實(shí)現(xiàn)非線性壓縮系數(shù)的測(cè)量。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超導(dǎo)量子比特非高斯壓縮態(tài)已逼近量子計(jì)量學(xué)中所能達(dá)到的最終精度極限——海森堡極限。基于量子計(jì)量學(xué)優(yōu)勢(shì)而言，此次實(shí)驗(yàn)中所制備的糾纏態(tài)是同比特?cái)?shù)中最好的，顯示了超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)精確操控多量子比特的能力，以及通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，并有望應(yīng)用于量子計(jì)量學(xué)中，同時(shí)為基于此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的量子計(jì)算云平臺(tái)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
前述研究由量子計(jì)算云平臺(tái)團(tuán)隊(duì)范桁、許凱、鄭東寧、宋小會(huì)等成員與浙江大學(xué)教授王浩華團(tuán)隊(duì)及日本理研的張煜然博士、Nori教授合作完成，并獲得國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)B等項(xiàng)目的支持。
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