交叉信息研究院金奇奐研究組《自然》發(fā)文 實(shí)現(xiàn)四離子量子比特的全局糾纏邏輯門
交叉信息研究院金奇奐研究組《自然》發(fā)文 實(shí)現(xiàn)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(shù): 0
? ? ? 清華大學(xué)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(tǒng)中實(shí)驗(yàn)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(fā)表于國(guó)際頂級(jí)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(jì)算與量子模擬的相關(guān)量子技術(shù)發(fā)展已取得諸多重要進(jìn)展，對(duì)于量子系統(tǒng)控制的規(guī)模和精確度日益提升，使得量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)不再遙不可及。這也正是尋找并填補(bǔ)實(shí)現(xiàn)實(shí)用性量子計(jì)算方法和技術(shù)缺失的良好時(shí)機(jī)。原則上，在量子線路模型下，任何通用量子計(jì)算任務(wù)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(shù)量，會(huì)隨著研究問題的規(guī)模增長(zhǎng)呈指數(shù)量級(jí)的增加。因此，建立更高效的多量子比特糾纏操作的方法對(duì)于實(shí)現(xiàn)實(shí)用量子計(jì)算有促進(jìn)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(shí)用意義，但這些方案還缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
圖 1 全局糾纏門可以有效的對(duì)量子線路進(jìn)行化簡(jiǎn)。圖中示例為作用在選定四個(gè)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(tài)，傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)所有量子比特的最大糾纏。
? ? ? 本研究中，金奇奐組在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中對(duì)一種基于離子阱系統(tǒng)的全局糾纏門實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了演示與性能測(cè)試。離子阱系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模通用量子計(jì)算最具潛力的系統(tǒng)之一，具有最長(zhǎng)的量子比特相干時(shí)間，能夠執(zhí)行高保真度的量子態(tài)測(cè)量與量子門操作。通過在單個(gè)勢(shì)阱中囚禁多個(gè)離子，量子比特?cái)?shù)可以擴(kuò)展至數(shù)十至上百個(gè)，而基于此的小規(guī)模可編程量子計(jì)算機(jī)也在近日實(shí)現(xiàn)。離子阱量子計(jì)算系統(tǒng)利用激光驅(qū)動(dòng)下量子比特與離子鏈聯(lián)合振動(dòng)模式的耦合實(shí)現(xiàn)比特間的糾纏，具有天然的全連接特性（即任意兩個(gè)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(fā)操作(single shot)即可實(shí)現(xiàn)。這種全連接優(yōu)勢(shì)也使得全局糾纏門的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)成為可能。本研究所提出方案的關(guān)鍵在于優(yōu)化與調(diào)制激光脈沖的強(qiáng)度和相位，以均勻地驅(qū)動(dòng)所有量子比特間的相互作用。
圖 2 離子阱量子計(jì)算系統(tǒng)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(guī)模量子計(jì)算系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)上演示了多達(dá)四量子比特的全局糾纏門。為了對(duì)全局糾纏操作進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，該團(tuán)隊(duì)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(tài)，并通過保真度測(cè)量證明最終的量子糾纏遠(yuǎn)超過經(jīng)典邊界。與離子阱系統(tǒng)中傳統(tǒng)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(shí)長(zhǎng)，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(yùn)行時(shí)間。全局糾纏門的實(shí)現(xiàn)方案的建立和良好的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，多量子比特糾纏門有望成為通用量子計(jì)算系統(tǒng)的重要組成部分。
圖 3 全局糾纏門的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。左上圖為基于離子阱的通用量子計(jì)算系統(tǒng)示意圖。左下圖為實(shí)驗(yàn)中制備的四量子比特最大糾纏態(tài)。
? ? ? 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(duì)本研究進(jìn)行了協(xié)助，交叉信息研究院助理研究員張靜寧為本項(xiàng)研究提供了理論支持。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)2016YFA0301900、2016YFA0301901）、國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)11574002、11504197）的資助與支持。
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原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1428-4
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