姚班本科生證明IBM超導量子云平臺可實現16量子比特糾纏態

2018年09月29日 瀏覽次數: 0

清華大學姚班2016級本科生王遠皓與中國工程物理研究院研究生院李穎副研究員、清華大學交叉信息研究院量子信息中心尹璋琦助理研究員及加拿大圭爾夫大學的曾蓓教授合作，遠程登錄IBM Q量子云平臺，驗證了其制備量子糾纏態的能力，并將平臺上所有16個物理量子比特制備到量子糾纏態。該研究成果論文《16量子比特IBM通用量子計算機能實現完全的量子糾纏》（16-qubit IBM universal quantum computer can be fully entangled）近日發表在《npj Quantum Information》上 (npj Quantum Information 4, 46 (2018))。

2016年5月，IBM宣布了5個量子比特量子云平臺上線，提供給全世界的研究人員免費訪問。一年后，IBM的16量子比特的量子云平臺上線。對于近期出現的量子計算云平臺，人們迫切想要了解其計算能力。量子糾纏是量子物理獨有的效應，也是量子計算實現加速的重要條件。如果一臺量子計算機只能制備糾纏程度很低的量子態，它能實現的計算也很有限，可以用經典計算機有效模擬。因此，除門保真度（gate fidelity）之外，制備量子糾纏態的能力也是量子計算的一種重要評價指標。

為了測試IBM Q上具有16個物理比特的芯片ibmqx5制備量子糾纏態的能力，王遠皓等人進行了一系列的實驗以嘗試在芯片上制備16比特的圖態（graph state）。其有很好的特性，局域的測量只會影響圖上與之相連的最近鄰的量子比特跟它的糾纏。圖態對局域的噪聲和測量都是比較強壯的，有望做出較大的量子糾纏態。如果實際得到態是一個分離態（biseparable state），那么將存在一個物理比特集合上的分割，使得得到的量子態可以寫成分割兩側直積態的混合。而如果存在這樣的分割，必然存在一個分割兩側的不糾纏的子系統。

圖一：對16個物理比特一個可能的分割

因此，王遠皓等人對實驗得到的16量子比特圖態中16個4比特的子系統進行了態層析（quantum tomography），并利用部分轉置判據（PPT criterion）證明了它們是糾纏的。這意味著所制備的圖態不會從這個4比特的子系統中分開。遍歷所有可能，排除掉所有的可分態情況之后可以推斷，該芯片上的量子態是一個使用了所有物理比特的糾纏態。盡管該糾纏態與目標圖態之間的保真度（fidelity）不高，這項工作展示了IBM設備上產生真正量子效應的能力。

論文預印本arXiv:1801.03782今年1月公布后，產生了很大的反響，已被其他研究組引用12次。IBM量子云計算團隊在其網站上撰文，推薦其為利用量子云平臺完成的5篇優秀論文之一。

圖二：各子系統的負度（negativity）：如果任一子系統不是糾纏的，其負度是0

《npj Quantum Information》是《自然》出版社旗下刊物，2017年度影響因子為9.206。該論文第一作者王遠皓，通訊作者為尹璋琦。研究工作得到了中國自然科學基金委、NSAF聯合基金和加拿大NSERC及CIFAR的支持。

 

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41534-018-0095-x