國家自然科學(xué)基金委員會(huì)

在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：11725419，11434008）等資助下，由浙江大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所、北京計(jì)算科學(xué)研究中心等國內(nèi)單位組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通力合作，開發(fā)出具有20 個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子芯片，并成功操控其實(shí)現(xiàn)糾纏，刷新了固態(tài)量子器件中生成糾纏態(tài)的量子比特?cái)?shù)目的世界紀(jì)錄。該成果以“Generation of Multicomponent Atomic Schr?dinger Cat States of up to 20 Qubits”（多達(dá)20個(gè)量子比特的多組份原子薛定諤貓態(tài)的制備）為題，于2019年8月發(fā)表在Science（《科學(xué)》）雜志上。

量子糾纏是量子力學(xué)中最為重要的概念之一。一方面，它們可被用于量子力學(xué)基本問題的探索，驗(yàn)證量子態(tài)非定域性和互文性等原理；另一方面，糾纏態(tài)的制備是實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)、量子算法以及容錯(cuò)量子計(jì)算的技術(shù)基礎(chǔ)。多比特量子糾纏態(tài)，特別是Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備，是衡量量子計(jì)算平臺(tái)控制能力的關(guān)鍵指標(biāo)，國際競爭尤為激烈。超導(dǎo)量子計(jì)算平臺(tái)可集度高、相干時(shí)間長、操控精確，是研究多比特量子糾纏的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

我國聯(lián)合團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近兩年的器件設(shè)計(jì)、制備與標(biāo)定，開發(fā)出了高性能的20比特超導(dǎo)量子芯片。芯片通過一個(gè)中心諧振腔實(shí)現(xiàn)了任意兩比特間的可調(diào)耦合。利用這一性質(zhì)，團(tuán)隊(duì)研究人員設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單軸壓縮的哈密頓量（one-axis twisting Hamiltonian）。根據(jù)該哈密頓量，初態(tài)被制備到相干態(tài)的多比特系統(tǒng)會(huì)首先演化到自旋壓縮態(tài)，然后在不同時(shí)間點(diǎn)依次演化到有5、4、3和2個(gè)組份疊加的原子薛定諤貓態(tài)，其中兩組份的薛定諤貓態(tài)就是GHZ態(tài)。實(shí)驗(yàn)成功制備了18個(gè)量子比特的GHZ態(tài)，保真度超過GHZ多體真糾纏的判據(jù)閾值0.5；實(shí)驗(yàn)還首次生成了20個(gè)量子比特的5組份原子薛定諤貓態(tài)，其量子特性由實(shí)驗(yàn)測量的魏格納函數(shù)（Wigner function）證明。該工作最早于5月1日公布于預(yù)印本網(wǎng)站（arXiv:1905.00320）。隨后，美國IBM超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)（arXiv:1905.05720）和哈佛大學(xué)里德堡原子團(tuán)隊(duì)（arXiv:1905.05721）于5月14日相繼在預(yù)印本網(wǎng)站公布了類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

20比特超導(dǎo)量子芯片的成功研制以及實(shí)驗(yàn)所展示的多比特糾纏態(tài)調(diào)控技術(shù)，為未來發(fā)展大規(guī)模集成量子計(jì)算芯片和展示有量子加速能力的特定量子模擬和量子算法應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。