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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

随着量子比特数量的增加，真正的多量子比特纠缠的可扩展生成对于量子信息技术的基本利益和实际应用都很重要。一方面，多量子纠缠表现出量子力学的预测与局域实现之间的强烈矛盾，可用于量子到经典转变的研究。另一方面，实现大规模纠缠是量子系统质量和可控性的标杆，对于实现通用量子计算至关重要。然而，在最先进的量子设备上可扩展地生成真正的多量子纠缠可能具有挑战性，需要精确的量子门和高效的验证协议。

基于此，中科大潘建伟等人展示了一种用于在66量子位超导量子处理器上准备和验证中等规模的真实纠缠的可扩展方法。作者使用高保真度并行量子门，并将并行单量子位门和双量子位门的保真度分别优化为 99.91% 和 99.05%。通过有效的随机保真度估计，实现了51量子位一维和30量子位二维簇状态，并分别实现了0.637±0.030和0.671±0.006的保真度。在高保真簇态的基础上，进一步展示了用于扰动平面码的基于测量的变分量子本征求解器的原理验证实现。该工作提供了一种可行的方法来准备和验证数百个量子位的纠缠，从而利用超导量子系统实现中等规模的量子计算。

多量子位纠缠

作者提出了一项系统研究，以准备具有不同系统大小的一维和二维簇状态，并验证最多51个量子位的真正纠缠。实验的成功依赖于实验和理论的改进。首先，在具有可调耦合架构的高性能二维量子处理器上实现了高保真并行双量子位门，显着减少了生成纠缠的操作时间。其次，应用了高效、准确的读数校准过程，消除了大部分错误。第三，使用随机保真度估计来验证真正的纠缠，这显着减少了状态验证的测量数量。这些改进使得能够使用近期量子器件一致地生成和验证真正纠缠的一维和二维簇状态。

图  集群状态的生成和验证

量子处理器性能

作者在具有可调谐耦合结构的66量子位超导量子处理器上进行了实验。利用最先进的量子器件的先进功能，包括可调谐耦合器的设计和倒装芯片技术的应用，在栅极操作期间实现了超低串扰。因此，可以同时在相邻的量子位对之间应用CZ门。使用可调谐耦合器来执行CZ门，获得了高保真并行门，这种高水平的量子门保真度为生成真正的多量子位纠缠态提供了基础。

图  量子处理器的性能

一维和二维簇状态的生成和验证

作者首先准备了具有3至51个量子位的一维簇状态，展示了其拓扑状态。作者绘制了生成的3至51量子位一维簇状态的保真度，观察到不同尺寸的估计保真度均高于0.5。特别是，51量子位簇状态的保真度为0.637±0.030，置信区间为99.7%。接下来，考虑了二维簇状态的准备和验证。考虑了5到30个量子位的2D簇状态的准备。不同尺寸的估计保真度均高于0.5，30量子位2D簇状态的保真度为0.671±0.006。

图  真实一维和二维簇状态的生成和验证

扰动平面码MBVQE的原理验证

高保真簇态的准备在量子计算中起着重要作用。基于测量的变分量子本征求解器 (MBVQE)利用基于测量和变分量子计算的思想，并使用浅电路解决本征态问题。在这里，作者演示了针对扰动平面码的MBVQE原理验证实现。MBVQE的基本思想是用更多的纠缠辅助来扩展H₀的簇态，在参数化的基础上测量辅助态并应用前馈操作来准备H(λ)的基态。作者绘制了实验发现的状态的能量，这与精确解一致，验证了原理的实现。

图  扰动平面码 MBVQE 的原理验证实现

参考文献：

Cao, S., Wu, B., Chen, F. et al. Generation of genuine entanglement up to 51 superconducting qubits. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06195-1