Science | 刷新世界纪录，中国科学技术大学潘建伟等人制备出12个超导比特的量子多体纠缠态，同时观察到基本量子效应

原创量子君 iNature 2023-01-10

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大规模量子计算技术的主要挑战，是如何可扩展和高精度地实现量子态的制备与操控。多比特量子纠缠作为量子计算技术的核心指标，一直是国际各研究团队竞相角逐的焦点。在超导量子计算方面，虽然2018年初Google和IBM分别发布了72量子比特和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应的实验结果，主要是规模扩展后量子比特间的串扰给实验带来巨大挑战。

2019年5月2日，中国科学技术大学潘建伟，范桁及朱晓波等人在Science在线发表题为“Strongly correlated quantum walks with a 12-qubit superconducting processor”的研究论文，该研究使用超导量子比特作为具有高保真操作和断层扫描读数的人工原子，在12比特的超导处理器上研究了一个和两个强相关微波光子的连续时间量子行走。有趣的是，该研究观察到基本量子效应，包括叠加态量子信息的光锥传播，特别是量子比特对之间的纠缠，以及时间演化相关的奇异行为，表示光子反聚束与有吸引力的相互作用。该研究制备出12个超导比特的量子多体纠缠态，不但刷新世界纪录，并为进一步研究多体动力学现象和通用量子计算奠定了基础。

另外，2019年1月18日，中国科学技术大学潘建伟，赵博等人在在Science上发表了题为“Observation of magnetically tunable Feshbach resonances inultracold23Na40K+40K collisions”的文章。该研究表明，在超低温下观察到的原子 - 分子Feshbach共振以极高的分辨率探测三体势能面有助于提高对超冷碰撞的理解（点击阅读）。

量子行走（QW）是经典随机行走的量子力学模拟，描述量子行走器在晶格上的传播。与经典随机游走不同，QW产生大规模量子叠加态和纠缠，允许经典不可用的应用，例如模拟多体量子生物，化学和物理系统，并且开发量子算法比经典计算指数更快。 QW已经在许多物理系统中进行了研究，包括光子，核磁共振，捕获离子，超导量子位和中性原子。这些研究可用于进一步研究量子动力学现象，如纠缠态工程，动态相变和热化与局部化。

超导处理器的1D晶格中的一个和两个光子的QW

在具有有限范围相互作用的系统中，单个粒子的QW显示在由Lieb-Robinson边界限制的线性光锥内的相关性传播，在7个离子自旋链中实现以进行纠缠。相互作用系统中的多粒子QW，例如Bose-Hubbard模型，能够执行通用量子计算。

利用11个超导量子比特的一维阵列（从Q1到Q11）在单个光子的量子行走中传播量子信息

在这里，研究人员使用超导量子比特作为具有高保真操作和断层扫描读数的人工原子，在12比特的超导处理器上研究了一个和两个强相关微波光子的连续时间QW。有趣的是，该研究观察到基本量子效应，包括叠加态量子信息的光锥传播，特别是量子比特对之间的纠缠，以及时间演化相关的奇异行为，表示光子反聚束与有吸引力的相互作用。

在12个超导量子比特的一维阵列上具有两个相同光子的量子行走中的光子反聚束和费米子化

总而言之，该研究通过实验证明了具有短程相互作用的一维超导量子比特阵列中的一个和两个强相互作用光子的QW。 另外，还观察到量子信息的光锥状传播，特别是纠缠，以及双光子HBT干涉的光子反聚束。 研究结果可以扩展到经典模拟之外的几十个量子比特，并为进一步研究多体动力学现象和通用量子计算奠定了基础。

参考信息：

https://science.sciencemag.org/content/early/2019/05/01/science.aaw1611

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