近日，《物理評論快報》在同一期以“編輯推薦”的形式發(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊在基于光和超導(dǎo)量子體系糾纏態(tài)制備方面的兩項實驗成果：實現(xiàn)了綜合性能最優(yōu)的量子點確定性糾纏光源和國際上最大規(guī)模超導(dǎo)量子比特糾纏態(tài)12比特“簇態(tài)”的制備。
大規(guī)模量子計算技術(shù)的主要挑戰(zhàn)是如何可擴展和高精度地實現(xiàn)量子態(tài)的制備與操控。多比特量子糾纏作為量子計算技術(shù)的核心指標(biāo)，一直是國際各研究團隊競相角逐的焦點。然而，要實現(xiàn)多個量子比特的糾纏，需要實驗的每個環(huán)節(jié)（量子態(tài)的品質(zhì)、操控和測量）都保持極高的技術(shù)水平，并且隨著量子比特數(shù)目的增加，噪聲和串?dāng)_等因素帶來的錯誤也隨之增加，這對多量子體系的設(shè)計、加工和調(diào)控帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
雙光子糾纏是可擴展光量子信息處理的核心資源，其性能的主要衡量指標(biāo)有糾纏保真度、產(chǎn)生和提取效率以及光子全同性。潘建偉及其同事陸朝陽、霍永恒等與國家納米科學(xué)中心研究員戴慶合作，利用自組裝半導(dǎo)體銦鎵砷量子點實現(xiàn)了目前綜合性能最優(yōu)的確定性糾纏光源[Phys.Rev.Lett.122，113602(2019)]。研究人員通過設(shè)計寬帶“靶眼”諧振腔，利用雙光子脈沖共振激發(fā)，首次實現(xiàn)了保真度90%、產(chǎn)生效率59%，提取效率62%，光子不可分辨性90%的糾纏光源。該實驗中發(fā)展的高品質(zhì)糾纏光源技術(shù)，未來將可進一步應(yīng)用于高效率多光子糾纏實驗和遠距離量子通信等方面。該工作被美國物理學(xué)會旗下在線新聞網(wǎng)站“物理”（Physics）以“量子點器件結(jié)合了產(chǎn)生糾纏光源的所有必要的屬性”為題進行了精選報道（Featured in Physics）。
在超導(dǎo)量子計算方面，雖然2018年初Google和IBM分別發(fā)布了72和50量子比特的量子芯片，但是至今仍未能完整展示量子比特性能和相應(yīng)的實驗結(jié)果，主要是因為規(guī)模擴展后量子比特間的串?dāng)_（cross talk）給實驗帶來了巨大挑戰(zhàn)，成為當(dāng)前的主要技術(shù)難點。此外，雖有此前報道了基于IBM超導(dǎo)量子云平臺的16比特糾纏，但其并不是真正的多體糾纏（genuine multipartite entanglement），經(jīng)過測試，其至多只能保持4體的真正糾纏。因此，能否制備更大規(guī)模糾纏態(tài)成為衡量超導(dǎo)量子計算系統(tǒng)綜合性能的重要指標(biāo)。潘建偉及其同事朱曉波、陸朝陽、彭承志等通過設(shè)計和加工高品質(zhì)的12比特一維鏈超導(dǎo)比特芯片，并且采用并行邏輯門操作方式避免比特間的串?dāng)_，以及熱循環(huán)操作去除不需要的二能級系統(tǒng)對于比特性能的影響，首次制備并驗證了12個超導(dǎo)比特的真糾纏，保真度達到70%[Phys.Rev.Lett.122，110501(2019)]，打破了2017年由中國科大、浙江大學(xué)、中科院物理研究所聯(lián)合研究組創(chuàng)造的10個超導(dǎo)量子比特糾纏的記錄。這也是目前固態(tài)量子系統(tǒng)中規(guī)模最大的多體糾纏態(tài)，可為下一步實現(xiàn)大規(guī)模隨機線路采樣和可擴展單向量子計算奠定基礎(chǔ)。
上述工作得到科技部、中科院、國家自然科學(xué)基金委、安徽省和上海市等的資助
圖1同時結(jié)合高糾纏保真度、高純度和高全同度的確定性糾纏光源
圖2超導(dǎo)芯片示意圖
