中科院等科学家实现超导多量子比特纠缠逼近海森堡极限

近日，我国科学家联合国际科研人员实现超导多量子比特纠缠逼近海森堡极限，展示了超导量子计算技术精确操控多量子比特的能力，有望应用于量子计量学。

箭头所指星号是此次研究所达到的量子计量学优势，结果显示利用19个超导量子制备的纠缠态，比起其它实验更逼近阴影边界所显示的海森堡极限，图片来自北京量子信息科学研究院

海森堡极限是受制于量子力学测不准原理限制的精度最终极限。量子力学中的测不准原理，也可称为不确定性原理，由量子力学创始人之一、德国物理学家海森堡在1927年提出。

近年来，超导量子计算发展迅速，量子算法的实现以及量子模拟多体系统的性质引起关注。利用超导量子比特实现多粒子纠缠，可展示系统同时控制多个量子比特的能力，并且量子纠缠作为一种量子计算有用的资源，其方便制备会降低量子算法的实现难度。但是对于利用量子纠缠突破经典方法测量精度的标准量子极限，并进一步逼近海森堡极限的探索较少，该研究方向为量子计量学领域的内容。

量子计量学有广阔的应用前景，其目的是利用纠缠态实现突破经典技术的精度极限，以期实现对某些物理量超高精度的测量。如果直接用卡尺测量一张纸的厚度有一定难度，但测量一叠纸的厚度除以纸张层数得到一张纸的厚度较容易，量子计量学即基于这种朴素的思想。

例如，考虑测量光量子比特的相位信息，如果这些光子是互相独立的，根据统计的中心极限定理，则多次测量的精度只能达到散粒噪声极限，即标准量子极限。但如果把光子全部纠缠起来，形成特殊的多粒子纠缠态，其相位信息则被放大，如同将多层纸张叠起来，这时再测量相位信息即可突破标准量子极限，并可以接近海森堡极限，这种性质可称为量子计量学优势。

对海森堡极限的逼近程度和实现探测的多粒子态的纠缠程度相关，但是多粒子纠缠大小的度量较复杂，并依赖于具体应用。量子计量学优势可以用量子费舍尔信息度量，也和纠缠大小直接相关。尽管高斯型压缩态的纠缠与量子计量学优势可以用线性压缩系数刻画，但是对于过压缩区域的非高斯纠缠态，线性压缩系数无法判断是否存在多体纠缠。

近年来，可以将压缩系数从原始概念的线性推广为非线性压缩系数，能较好地刻画非高斯态的纠缠度，并和量子计量学优势直接相关。但受制于多量子比特单发测量的实验难度，非线性压缩系数的测量并没有在各种多粒子纠缠体系中实现。

如果多粒子纠缠可以用超导量子比特实现，能否获得具有高量子计量学优势的特殊纠缠态？

此次，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心固态量子信息与计算实验室副研究员许凯、研究员范桁，超导国家重点实验室研究员郑东宁，浙江大学教授王浩华团队与日本科研人员等合作，利用多量子比特器件中的10个和19个超导量子比特，成功制备出逼近量子计量学中海森堡极限的非高斯压缩态，并首次实现了纠缠态中非线性压缩系数的测量。其中，19个量子比特纠缠态所获得的量子计量优势明显优于其它系列工作，创造了同量级比特数量子计量优势的世界纪录。相关成果近日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

图片来自《物理评论快报》(Physical Review Letters)

此前，中科院物理研究所、北京量子信息科学研究院量子计算云平台团队长期致力于超导量子计算研究，曾合作制备出20超导量子比特薛定谔猫态，刷新了固态系统多粒子纠缠世界纪录。

本次研究团队继续利用前述具有全联通20个超导量子比特的器件，分别使用了其中10个和19个超导量子比特，在中科院物理所新搭建的超导量子计算平台制备出具有量子计量学优势的压缩态，以及处于过压缩区域的非高斯压缩态，并测量了此非高斯压缩态的非线性压缩系数，这是实验中首次成功实现非线性压缩系数的测量。

器件中19个量子比特位置，其相互耦合强度信息，以及测量线性和非线性压缩系数，量子费舍尔信息时的实验操作步骤，图片来自中科院物理研究所

实验结果表明，超导量子比特非高斯压缩态已逼近量子计量学中所能达到的最终精度极限——海森堡极限。基于量子计量学优势而言，此次实验中所制备的纠缠态是同比特数中最好的，显示了超导量子计算技术精确操控多量子比特的能力，以及通用性强的特点，并有望应用于量子计量学中，同时为基于此实验系统的量子计算云平台奠定了技术基础。

前述研究由量子计算云平台团队范桁、许凯、郑东宁、宋小会等成员与浙江大学教授王浩华团队及日本理研的张煜然博士、Nori教授合作完成，并获得国家自然科学基金项目、中科院先导专项B等项目的支持。