中科院等科學家實現超導多量子比特糾纏逼近海森堡極限

箭頭所指星號是此次研究所達到的量子計量學優勢，結果顯示利用19個超導量子制備的糾纏態，比起其它實驗更逼近陰影邊界所顯示的海森堡極限，圖片來自北京量子信息科學研究院

近年來，超導量子計算發展迅速，量子算法的實現以及量子模擬多體系統的性質引起關注。利用超導量子比特實現多粒子糾纏，可展示系統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難度。但是對于利用量子糾纏突破經典方法測量精度的標準量子極限，并進一步逼近海森堡極限的探索較少，該研究方向為量子計量學領域的內容。

量子計量學有廣闊的應用前景，其目的是利用糾纏態實現突破經典技術的精度極限，以期實現對某些物理量超高精度的測量。如果直接用卡尺測量一張紙的厚度有一定難度，但測量一疊紙的厚度除以紙張層數得到一張紙的厚度較容易，量子計量學即基于這種樸素的思想。

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立的，根據統計的中心極限定理，則多次測量的精度只能達到散粒噪聲極限，即標準量子極限。但如果把光子全部糾纏起來，形成特殊的多粒子糾纏態，其相位信息則被放大，如同將多層紙張疊起來，這時再測量相位信息即可突破標準量子極限，并可以接近海森堡極限，這種性質可稱為量子計量學優勢。

對海森堡極限的逼近程度和實現探測的多粒子態的糾纏程度相關，但是多粒子糾纏大小的度量較復雜，并依賴于具體應用。量子計量學優勢可以用量子費舍爾信息度量，也和糾纏大小直接相關。盡管高斯型壓縮態的糾纏與量子計量學優勢可以用線性壓縮系數刻畫，但是對于過壓縮區域的非高斯糾纏態，線性壓縮系數無法判斷是否存在多體糾纏。

近年來，可以將壓縮系數從原始概念的線性推廣為非線性壓縮系數，能較好地刻畫非高斯態的糾纏度，并和量子計量學優勢直接相關。但受制于多量子比特單發測量的實驗難度，非線性壓縮系數的測量并沒有在各種多粒子糾纏體系中實現。

如果多粒子糾纏可以用超導量子比特實現，能否獲得具有高量子計量學優勢的特殊糾纏態？

此次，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心固態量子信息與計算實驗室副研究員許凱、研究員范桁，超導國家重點實驗室研究員鄭東寧，浙江大學教授王浩華團隊與日本科研人員等合作，利用多量子比特器件中的10個和19個超導量子比特，成功制備出逼近量子計量學中海森堡極限的非高斯壓縮態，并首次實現了糾纏態中非線性壓縮系數的測量。其中，19個量子比特糾纏態所獲得的量子計量優勢明顯優于其它系列工作，創造了同量級比特數量子計量優勢的世界紀錄。相關成果近日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

圖片來自《物理評論快報》(Physical Review Letters)

此前，中科院物理研究所、北京量子信息科學研究院量子計算云平臺團隊長期致力于超導量子計算研究，曾合作制備出20超導量子比特薛定諤貓態，刷新了固態系統多粒子糾纏世界紀錄。

本次研究團隊繼續利用前述具有全聯通20個超導量子比特的器件，分別使用了其中10個和19個超導量子比特，在中科院物理所新搭建的超導量子計算平臺制備出具有量子計量學優勢的壓縮態，以及處于過壓縮區域的非高斯壓縮態，并測量了此非高斯壓縮態的非線性壓縮系數，這是實驗中首次成功實現非線性壓縮系數的測量。

器件中19個量子比特位置，其相互耦合強度信息，以及測量線性和非線性壓縮系數，量子費舍爾信息時的實驗操作步驟，圖片來自中科院物理研究所

實驗結果表明，超導量子比特非高斯壓縮態已逼近量子計量學中所能達到的最終精度極限——海森堡極限。基于量子計量學優勢而言，此次實驗中所制備的糾纏態是同比特數中最好的，顯示了超導量子計算技術精確操控多量子比特的能力，以及通用性強的特點，并有望應用于量子計量學中，同時為基于此實驗系統的量子計算云平臺奠定了技術基礎。

前述研究由量子計算云平臺團隊范桁、許凱、鄭東寧、宋小會等成員與浙江大學教授王浩華團隊及日本理研的張煜然博士、Nori教授合作完成，并獲得國家自然科學基金項目、中科院先導專項B等項目的支持。