量子真糾纏態比特數目的發展歷史。 中國科大 供圖
中新網北京7月12日電 (記者 孫自法)繼2017年起先后完成10比特、12比特、18比特的真糾纏態制備之后，在量子科技領域一直走在世界前沿的中國科學家最近又刷新一項世界紀錄——成功實現51個超導量子比特簇態制備和驗證，刷新所有量子系統中真糾纏比特數目的世界紀錄，并首次演示了基于測量的變分量子算法。
這項多比特量子糾纏態制備方面取得的重大進展，由中國科學技術大學(中國科大)中國科學院量子信息與量子科技創新研究院潘建偉院士、朱曉波教授、彭承志研究員等組成的研究團隊與北京大學前沿計算研究中心袁驍助理教授合作完成，相關研究成果論文北京時間7月12日夜間在國際著名學術期刊《自然》在線發表。
本項研究將量子系統中真糾纏比特數目的世界紀錄由原先的24個大幅突破至51個，既在數量增長上由此前個位數實現兩位數的跨越，也充分展示出超導量子計算體系優異的可擴展性，對于研究多體量子糾纏、實現大規模量子算法以及基于測量的量子計算等具有重要意義。
利用“祖沖之二號”完成的51比特一維簇態制備的線路及量子態保真度結果。 中國科大 供圖
潘建偉院士線上接受媒體集體采訪介紹說，量子糾纏是量子力學中最神秘也是最基礎的性質之一，同時也是量子信息處理的核心資源，是量子計算加速效應的根本來源之一。多年以來，實現大規模的多量子比特糾纏一直是各國科學家奮力追求的目標。自1998年人們首次利用核磁共振系統實現3比特糾纏態的制備開始，真多體糾纏態的制備成為包括光子、離子阱、金剛石氮空位色心、中性原子及超導量子比特等各種物理系統規模化擴展的重要表征手段。
潘建偉院士與中國科大科研團隊代表在實驗室交流研討。 中國科大 供圖
其中，超導量子比特具有規模化拓展的優勢，近年來發展迅速。中國科學家在超導量子比特多體糾纏制備方面已取得一系列重要成果，自2017年起先后完成10比特、12比特、18比特的真糾纏態制備，不斷刷新超導量子計算領域的糾纏比特數目紀錄。
潘建偉指出，量子糾纏是量子信息處理的核心資源，然而，更大規模的真糾纏態制備要求高連通性的量子系統、高保真的多比特量子門以及高效準確的量子態保真度表征手段，高連通性保證大規模量子態生成的可能性，避免因缺陷和連通性不足限制量子態規模；通過高保真量子門才能夠將量子比特連接起來形成高保真的多體量子糾纏態；高效的量子態表征則是克服隨比特數指數級增長的量子態規模復雜度、進行量子態保真度準確估計的重要保證。由于難以實現對量子系統性能、操控能力以及驗證手段的這些要求，此前真糾纏比特的規模未能突破24個量子比特。
針對上述挑戰，本次研究過程中，研究團隊在前期構建的“祖沖之二號”超導量子計算原型機的基礎上，進一步將并行多比特量子門的保真度提高到99.05%、讀取精度提高到95.09%，并結合研究團隊所提出的大規模量子態保真度驗證判定方案，成功實現51比特簇態制備和驗證，并且在高保真方面，最終51比特一維簇態保真度達到0.637±0.030，超過0.5糾纏判定閾值13個標準差。
同時，研究團隊還通過結合基于測量的變分量子本征求解器，開展對于小規模的擾動平面碼的本征能量的求解，首次實現基于測量的變分量子算法，為基于測量的量子計算方案走向實用奠定了基礎。潘建偉稱，該測量方法可減小10個數量級的測量次數，“相當于原來需要測量100億次，現在測量1次即可”。
至于之前“祖沖之二號”原型機量子芯片可操縱66比特、“祖沖之號”量子計算云平臺176比特上線，與最新51比特超導量子簇態制備和驗證刷新世界紀錄給普通公眾帶來的數字上困惑，身兼“祖沖之號”量子計算總設計師的朱曉波教授解釋說，這些比特的數字不同，內涵更不同，前兩者是指可操縱的比特數目，而后者是指真糾纏、簇態的比特數目，對量子計算更精準、更可靠、更有效。他強調，量子計算未來發展，最難的不是提高比特數目，而是與大規模比特數目同步提高比特糾纏精度及有效性、可靠性。
潘建偉總結表示，10年來，中國科大團隊在量子科技領域潛心研究、刻苦攻關，率先取得一系列具有國際影響力的重大原創成果。該團隊未來將持續聚焦量子通信、量子計算、量子精密測量等世界科技前沿，在重大科學問題研究和關鍵核心技術攻關中不斷取得新突破，努力搶占科技制高點，為實現高水平科技自立自強貢獻力量。
他透露，在具體目標上，中國科大團隊將基于前期取得的量子計算優越性，近中期實現量子模擬應用，遠期研制出通用量子計算機。(完)
