國家自然科學(xué)基金委員會

在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號：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)院自動化研究所、北京計算科學(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)的量子比特數(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、量子算法以及容錯量子計算的技術(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，是衡量量子計算平臺控制能力的關(guān)鍵指標(biāo)，國際競爭尤為激烈。超導(dǎo)量子計算平臺可集度高、相干時間長、操控精確，是研究多比特量子糾纏的理想實(shí)驗(yàn)平臺。

我國聯(lián)合團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近兩年的器件設(shè)計、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)計實(shí)現(xiàn)了一個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)會首先演化到自旋壓縮態(tài)，然后在不同時間點(diǎn)依次演化到有5、4、3和2個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)。