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中科院等科學(xué)家實現(xiàn)超導(dǎo)多量子比特糾纏逼近海森堡極限
最后更新: 2022-04-29 20:25:08據(jù)中科院物理研究所網(wǎng)站27日消息,近年來,超導(dǎo)量子計算發(fā)展迅速,量子算法的實現(xiàn)以及量子模擬多體系統(tǒng)的性質(zhì)引起關(guān)注。
據(jù)資料顯示,海森堡極限(Heisenberg limit)由由量子力學(xué)創(chuàng)始人之一、德國物理學(xué)家沃納·卡爾·海森堡(Werner Karl Heisenberg)在1927年提出,指測量精度可以隨測量中使用的能量成比例的最佳速率,是量子力學(xué)中的測不準(zhǔn)原理,也可稱為不確定性原理(Uncertainty principle)。
利用超導(dǎo)量子比特實現(xiàn)多粒子糾纏,可展示系統(tǒng)同時控制多個量子比特的能力,并且量子糾纏作為一種量子計算有用的資源,其方便制備會降低量子算法的實現(xiàn)難度,但是對于利用量子糾纏突破經(jīng)典方法測量精度的標(biāo)準(zhǔn)量子極限,并進(jìn)一步逼近海森堡極限的探索較少,該方向即為量子計量學(xué)的內(nèi)容。
量子計量學(xué)有廣闊應(yīng)用前景,其目的是利用糾纏態(tài)實現(xiàn)突破經(jīng)典技術(shù)的精度極限,以期實現(xiàn)對某些物理量超高精度的測量。眾所周知,直接用卡尺測量一張紙的厚度有一定難度,但是測量一疊紙的厚度除以紙張層數(shù)則得到一張紙的厚度較容易,量子計量學(xué)即基于這種樸素的思想。
圖2. 器件中19個量子比特位置,其相互耦合強(qiáng)度信息,以及測量線性和非線性壓縮系數(shù),量子費(fèi)舍爾信息時的實驗操作步驟
例如,考慮測量光量子比特的相位信息,如果這些光子是互相獨(dú)立的,根據(jù)統(tǒng)計的中心極限定理,則多次測量的精度只能達(dá)到散粒噪聲極限,也稱為標(biāo)準(zhǔn)量子極限,但如果把這些光子全部糾纏起來形成特殊的多粒子糾纏態(tài),其相位信息則被放大,如同多層紙張疊起來一樣,這時再測量相位信息即可突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限,并可以接近受制于量子力學(xué)測不準(zhǔn)原理限制的精度最終極限,一般稱之為海森堡極限,這種性質(zhì)可以稱為量子計量學(xué)優(yōu)勢。
圖3.10個超導(dǎo)量子比特糾纏態(tài)的線性和非線性壓縮系數(shù),以及量子費(fèi)舍爾信息的測量結(jié)果對比,量子比特在不同時間點(diǎn)的分布
對海森堡極限的逼近程度和實現(xiàn)探測的多粒子態(tài)的糾纏程度相關(guān),但是多粒子糾纏大小的度量較復(fù)雜,并依賴于人們所關(guān)注的具體應(yīng)用,量子計量學(xué)優(yōu)勢可以用量子費(fèi)舍爾信息度量,也和糾纏大小直接相關(guān)。盡管高斯型壓縮態(tài)的糾纏與量子計量學(xué)優(yōu)勢可以用線性壓縮系數(shù)刻畫,但是對于過壓縮區(qū)域的非高斯糾纏態(tài),線性壓縮系數(shù)無法判斷是否存在多體糾纏。近年來,可以將壓縮系數(shù)從原始概念的線性推廣為非線性壓縮系數(shù),能較好地刻畫非高斯態(tài)的糾纏度,并和量子計量學(xué)優(yōu)勢直接相關(guān),但受制于多量子比特單發(fā)測量的實驗難度,非線性壓縮系數(shù)的測量并沒有在各種多粒子糾纏體系中實現(xiàn)。
圖4.19個量子比特測量量子費(fèi)舍爾信息的線路圖,其分布函數(shù)的結(jié)果展示
多粒子糾纏可以用超導(dǎo)量子比特實現(xiàn),是否可以獲得具有高量子計量學(xué)優(yōu)勢的特殊糾纏態(tài)?
最近,中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心固態(tài)量子信息與計算實驗室副研究員許凱、研究員范桁,超導(dǎo)國家重點(diǎn)實驗室研究員鄭東寧,浙江大學(xué)教授王浩華團(tuán)隊與日本科研人員等合作,利用具有20超導(dǎo)量子比特的器件,在物理所新搭建的超導(dǎo)量子計算平臺實現(xiàn)了超導(dǎo)量子比特多粒子糾纏態(tài)的制備,并結(jié)合體系的測量優(yōu)勢,首次實現(xiàn)了非線性壓縮系數(shù)的測量。
圖1.箭頭所指星號是本工作所達(dá)到的量子計量學(xué)優(yōu)勢,結(jié)果顯示利用19個超導(dǎo)量子制備的糾纏態(tài),比起其它實驗更逼近陰影邊界所顯示的海森堡極限,上圖為文章附件內(nèi)容。
實驗表明,制備19比特非高斯壓縮態(tài)可以實現(xiàn)十分接近海森堡極限的精度,其獲得的量子優(yōu)勢是同比特數(shù)目的實驗結(jié)果中最好的(圖1),所達(dá)到的量子計量學(xué)優(yōu)勢可以和其它系統(tǒng)成千上萬粒子數(shù)的糾纏體系比擬,顯示了超導(dǎo)量子計算技術(shù)的先進(jìn)性,相關(guān)成果于近期發(fā)表于Physical Review Letters【Phys. Rev. Lett. 128, 150501 (2022).】上。
此外,范桁、物理所博士生孫政杭與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波、教授潘建偉團(tuán)隊合作,基于24比特梯子結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)量子器件,實現(xiàn)了一維XX和梯子XX兩種不同性質(zhì)模型的量子模擬,分別觀測到了量子熱化、信息擾動(information scrambling)和可積系統(tǒng)的非各態(tài)歷經(jīng)動力學(xué)特征,相關(guān)成果于近期發(fā)表在Physical Review Letters【Phys. Rev. Lett. 128, 160502 (2022).】上。
- 原標(biāo)題:物理所等在超導(dǎo)量子比特多粒子糾纏逼近海森堡極限及量子模擬研究中取得進(jìn)展
- 責(zé)任編輯: 沈玉萌 
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