近日，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉團(tuán)隊(duì)在基于光和超導(dǎo)量子體系糾纏態(tài)制備方面取得了兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)成果：實(shí)現(xiàn)了綜合性能最優(yōu)的量子點(diǎn)確定性糾纏光源和國(guó)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。相關(guān)研究成果以“編輯推薦”的形式發(fā)表于同一期《物理評(píng)論快報(bào)》。

大規(guī)模量子計(jì)算技術(shù)的主要挑戰(zhàn)是如何可擴(kuò)展且高精度地實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的制備與操控。多比特量子糾纏作為量子計(jì)算技術(shù)的核心指標(biāo)，一直是國(guó)際各研究團(tuán)隊(duì)競(jìng)相角逐的焦點(diǎn)。然而，要實(shí)現(xiàn)多個(gè)量子比特的糾纏，需要實(shí)驗(yàn)的每個(gè)環(huán)節(jié)都保持極高的技術(shù)水平，并且隨著量子比特?cái)?shù)目的增加，噪聲和串?dāng)_等因素帶來的錯(cuò)誤也隨之增加，這對(duì)多量子體系的設(shè)計(jì)、加工和調(diào)控帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

雙光子糾纏是可擴(kuò)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。潘建偉團(tuán)隊(duì)與國(guó)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(diǎn)實(shí)現(xiàn)了目前綜合性能最優(yōu)的確定性糾纏光源。他們通過設(shè)計(jì)寬帶“靶眼”諧振腔，利用雙光子脈沖共振激發(fā)，首次實(shí)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(shí)驗(yàn)中發(fā)展的高品質(zhì)糾纏光源技術(shù)，未來可進(jìn)一步應(yīng)用于高效率多光子糾纏實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)距離量子通信等方面。

在超導(dǎo)量子計(jì)算方面，2018年初Google和IBM分別發(fā)布了72和50量子比特的量子芯片，但至今仍未能完整展示量子比特性能和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這主要是因?yàn)橐?guī)模擴(kuò)展后量子比特間的串?dāng)_給實(shí)驗(yàn)帶來了巨大挑戰(zhàn)。此外，雖然此前報(bào)道了基于IBM超導(dǎo)量子云平臺(tái)的16比特糾纏，但其并不是真正的多體糾纏，經(jīng)過測(cè)試，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(jì)算系統(tǒng)綜合性能的重要指標(biāo)。

研究人員通過設(shè)計(jì)和加工高品質(zhì)的12比特一維鏈超導(dǎo)比特芯片，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(jí)系統(tǒng)對(duì)比特性能的影響，首次制備并驗(yàn)證了12個(gè)超導(dǎo)比特的真糾纏，保真度達(dá)到70%。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)，為下一步實(shí)現(xiàn)大規(guī)模隨機(jī)線路采樣和可擴(kuò)展單向量子計(jì)算奠定基礎(chǔ)。