交叉信息研究院金奇奐研究組《自然》發文 實現四離子量子比特的全局糾纏邏輯門

2019年08月01日 瀏覽次數: 0

      清華大學交叉信息研究院金奇奐副教授研究組最近成功在離子阱系統中實驗演示了超過兩比特的全局糾纏邏輯門，該成果以《任意離子量子比特上的全局糾纏門》(Global entangling gates on arbitrary ion qubits)為題于7月24日在線發表于國際頂級期刊《自然》(Nature)。該文章的通訊作者為交叉信息研究院博士生路堯與金奇奐副教授，博士生路堯、張帥寧和張寬為共同第一作者。

      近年來，圍繞量子計算與量子模擬的相關量子技術發展已取得諸多重要進展，對于量子系統控制的規模和精確度日益提升，使得量子計算機的實現不再遙不可及。這也正是尋找并填補實現實用性量子計算方法和技術缺失的良好時機。原則上，在量子線路模型下，任何通用量子計算任務都可以分解為一系列單量子比特門和雙量子比特糾纏門的組合。然而這種分解所得到的量子線路往往并不是最高效的。某些算法或模擬所需要量子門，特別是雙量子比特糾纏門的數量，會隨著研究問題的規模增長呈指數量級的增加。因此，建立更高效的多量子比特糾纏操作的方法對于實現實用量子計算有促進作用。理論研究中，已有許多研究人員指出了多量子比特糾纏門，特別是其中的全局糾纏門的實用意義，但這些方案還缺乏實驗驗證。

圖 1 全局糾纏門可以有效的對量子線路進行化簡。圖中示例為作用在選定四個量子比特上的全局糾纏門。為了制備四量子比特最大糾纏態，傳統量子電路一般需要至少三步雙量子比特糾纏門。使用全局糾纏門則僅需一步即可實現所有量子比特的最大糾纏。

      本研究中，金奇奐組在實驗系統中對一種基于離子阱系統的全局糾纏門實現方案進行了演示與性能測試。離子阱系統作為實現大規模通用量子計算最具潛力的系統之一，具有最長的量子比特相干時間，能夠執行高保真度的量子態測量與量子門操作。通過在單個勢阱中囚禁多個離子，量子比特數可以擴展至數十至上百個，而基于此的小規模可編程量子計算機也在近日實現。離子阱量子計算系統利用激光驅動下量子比特與離子鏈聯合振動模式的耦合實現比特間的糾纏，具有天然的全連接特性（即任意兩個量子比特間都存在可控的相互作用）。因此任意比特間的量子糾纏僅需要單發操作(single shot)即可實現。這種全連接優勢也使得全局糾纏門的實驗實現成為可能。本研究所提出方案的關鍵在于優化與調制激光脈沖的強度和相位，以均勻地驅動所有量子比特間的相互作用。

圖 2 離子阱量子計算系統的核心組成部分。圖示為真空腔中的刀片阱。

      金奇奐研究組成功完成四量子比特的小規模量子計算系統，并基于該系統，在實驗上演示了多達四量子比特的全局糾纏門。為了對全局糾纏操作進行基準測試，該團隊利用四比特全局糾纏門一步制備了四量子比特的最大糾纏態，并通過保真度測量證明最終的量子糾纏遠超過經典邊界。與離子阱系統中傳統的雙比特糾纏門相比，該全局糾纏門有著與其基本相同的操作時長，意味著利用全局糾纏門不僅僅能夠減小量子線路的深度，也能夠真正縮短線路的運行時間。全局糾纏門的實現方案的建立和良好的實驗測試結果表明，多量子比特糾纏門有望成為通用量子計算系統的重要組成部分。

圖 3 全局糾纏門的實驗實現。左上圖為基于離子阱的通用量子計算系統示意圖。左下圖為實驗中制備的四量子比特最大糾纏態。

      本研究由交叉信息研究院博士生路堯、張帥寧與張寬共同完成，博士生陳文濤、沈楊超與物理系本科生張家梁對本研究進行了協助，交叉信息研究院助理研究員張靜寧為本項研究提供了理論支持。該工作得到了國家重點研發計劃（項目編號2016YFA0301900、2016YFA0301901）、國家自然科學基金（項目編號11574002、11504197）的資助與支持。

 

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1428-4