中科大，今年第7篇Nature！潘建伟团队今年第1篇Nature！

随着量子比特数量的增加，真正的多方纠缠的可扩展生成对于量子信息技术的基础兴趣和实际应用都是重要的。一方面，多方纠缠表现出量子力学预测与局部实现之间的强烈矛盾，可以用于量子到经典跃迁的研究。

另一方面，实现大规模纠缠是衡量量子系统质量和可控性的基准，是实现通用量子计算的必要条件。

然而，在最先进的量子设备上可扩展地生成真正的多方纠缠，可能具有挑战性，需要精确的量子门和有效的验证协议。

在此，来自中国科学技术大学的袁骁&朱晓波&潘建伟等研究者展示了一种可扩展的方法，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正纠缠。相关论文以题为“Generation of genuine entanglement up to 51 superconducting qubits”于2023年07月12日发表在Nature上。

量子硬件的最新进展，特别是超导量子处理器，已经证实了可编程量子器件的潜力，这种器件使用由数十个量子比特上的单量子比特和双量子比特门的多层组成的浅深度电路。

尽管这些器件已经成功地用于实现随机量子电路采样，并在数十个量子位上展示量子计算优势，但所报告的状态保真度相对较低(<1%)，足以用于实际应用。

由于大多数量子计算算法和量子信息处理协议的基本成分都依赖于量子纠缠，因此在实现高保真纠缠多量子位态方面也做了大量工作。在超导量子计算领域，最大的真正纠缠是18量子位的Greenberger–Horne–Zeilinger (GHZ)态，通过集体相互作用实现。

然而，这种方案需要在不使用数字量子门的情况下将所有量子比特耦合到公共总线谐振器，这可能很难推广到其他纠缠态或扩展到更大的系统。使用数字超导门的最大的真正纠缠态只有12个量子比特，比最先进的超导设备小得多。纠缠更大数量的量子位是一项更具挑战性的任务，需要在设备质量和纠缠验证的有效理论手段方面进行显着的实验改进。

在这里，研究者提出了一个系统的研究，以制备一维(1D)和二维(2D)簇态具有不同的系统大小，并验证真正的纠缠高达51量子位。研究者实验的成功依赖于实验和理论两方面的改进。

首先，研究者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比特门，显著减少了产生纠缠的操作时间。

其次，研究者采用了高效准确的读数校准过程，消除了大部分误差。

第三，研究者使用随机保真度估计来验证真实纠缠，这大大减少了状态验证的测量次数。这些改进使得近期量子器件能够一致地生成和验证真正纠缠的一维和二维簇态。

此外，研究者以高保真簇态为资源，实现了一种基于测量的变分量子特征解算器，用于摄动平面码，并精确观测了不同摄动下制备的基态和相变。

研究者采用高保真并行量子门，并优化了并行单量子比特门和双量子比特门的保真度分别为99.91%和99.05%。通过高效的随机保真度估计，研究者实现了51量子位一维和30量子位二维簇态，保真度分别为0.637±0.030和0.671±0.006。

在高保真簇态的基础上，研究者进一步展示了基于测量的变分量子特征解算器的原理证明实现。研究者的工作为准备和验证几百个量子比特的纠缠提供了一种可行的方法，从而实现了超导量子系统的中等规模量子计算。

图1. 集群状态的生成和验证

图2. 量子处理器的性能

图3. 真正的1D和2D聚类状态的生成和验证

图4. 用于扰动平面代码的MBVQE的原理证明

综上所述，这项工作展示了生成一维和二维簇态的系统方法，并分别用多达51和30个量子位验证它们的真正纠缠。研究者的技术可以扩展到准备更大的纠缠，比如几百个量子比特，这是中等规模量子计算和量子模拟的基础。

此外，利用二维簇态可以实现单向量子计算，这需要进一步的纠缠蒸馏和前馈操作。研究者的高保真状态意味着成功的纠缠蒸馏可以进一步提高状态保真度;最近的实验也显示了前馈操作的可行性。这些成果使通用单向量子计算得以实现。

此外，群集状态也被证明是近期量子硬件(即MBVQE10协议)量子计算中的有用资源。研究者的研究结果显示了在短期内实现量子优势的另一种方法。

自2023年以来，中国科学技术大学共发表了7篇Nature正刊，以下是它们发表的时间：

文献信息

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

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06195-1

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中科大，今年第7篇Nature！潘建伟团队今年第1篇Nature！

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