最優糾纏光源和最大規模多體糾纏態誕生

近日，中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉團隊在基于光和超導量子體系糾纏態制備方面取得了兩項實驗成果：實現了綜合性能最優的量子點確定性糾纏光源和國際上最大規模超導量子比特糾纏態12比特“簇態”的制備。相關研究成果以“編輯推薦”的形式發表于同一期《物理評論快報》。

大規模量子計算技術的主要挑戰是如何可擴展且高精度地實現量子態的制備與操控。多比特量子糾纏作為量子計算技術的核心指標，一直是國際各研究團隊競相角逐的焦點。然而，要實現多個量子比特的糾纏，需要實驗的每個環節都保持極高的技術水平，并且隨著量子比特數目的增加，噪聲和串擾等因素帶來的錯誤也隨之增加，這對多量子體系的設計、加工和調控帶來了巨大的挑戰。

雙光子糾纏是可擴展光量子信息處理的核心資源，其性能的主要衡量指標有糾纏保真度、產生和提取效率以及光子全同性。潘建偉團隊與國家納米科學中心研究員戴慶合作，利用自組裝半導體銦鎵砷量子點實現了目前綜合性能最優的確定性糾纏光源。他們通過設計寬帶“靶眼”諧振腔，利用雙光子脈沖共振激發，首次實現了保真度90%、產生效率59%、提取效率62%、光子不可分辨性90%的糾纏光源。該實驗中發展的高品質糾纏光源技術，未來可進一步應用于高效率多光子糾纏實驗和遠距離量子通信等方面。

在超導量子計算方面，2018年初Google和IBM分別發布了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的實驗結果，這主要是因為規模擴展后量子比特間的串擾給實驗帶來了巨大挑戰。此外，雖然此前報道了基于IBM超導量子云平臺的16比特糾纏，但其并不是真正的多體糾纏，經過測試，至多只能保持4體的真正糾纏。因此，能否制備更大規模糾纏態成為衡量超導量子計算系統綜合性能的重要指標。

研究人員通過設計和加工高品質的12比特一維鏈超導比特芯片，采用并行邏輯門操作方式避免比特間的串擾，以及熱循環操作去除不需要的二能級系統對比特性能的影響，首次制備并驗證了12個超導比特的真糾纏，保真度達到70%。這也是目前固態量子系統中規模最大的多體糾纏態，為下一步實現大規模隨機線路采樣和可擴展單向量子計算奠定基礎。