破紀錄！科學家實現 20 量子比特的全受控量子糾纏

圍繞著量子比特數目的競爭愈演愈烈，各巨頭紛紛發力以圖早日實現基於50量子比特的「量子霸權」：

在超導量子計算方面，谷歌於今年3月宣布正在測試其基於72個量子比特的Bristlecone晶元。IBM於17年年底已宣布成功搭建並測試基於20量子比特和50量子比特的量子計算機，其中基於20量子比特的量子計算機（IBM QS1_1）目前已可通過雲技術進行接入。 在今年的CES大會上，英特爾也宣布開始製造和測試基於49量子比特的量子晶元「Tangle Lake」。

然而，量子比特的數目並不能說明全部問題，目前量子計算髮展的真正瓶頸在於對量子比特疊加、糾纏、測量和糾錯的優化控制。當前量子比特操控的質量，而非數量，才是關鍵。

因此，全世界的科學家們一直在致力於實現由更多量子比特糾纏系統、更低錯誤率的系統以及更優的探測手段。

2011 年，因斯布魯克大學實驗物理研究所 Rainer Blatt 研究組首次將 14 個可定址的量子比特糾纏在一起，實現了當時最大的全受控糾纏量子寄存器。近日，這個記錄被再次刷新。

由奧地利科學院量子光學與量子信息研究所（the Institute of Quantum Optics and Quantum Information of the Austrian Academy of Sciences， IQOQI）的 Ben Lanyon 和 Rainer Blatt 領導的研究團隊與德國烏爾姆大學和維也納 IQOQI 的理論物理學家們合作實現了基於 20 量子比特的全受控多量子糾纏。研究者們能夠在 3/4/5 量子比特組間檢測到真正的多量子糾纏。

圖丨在因斯布魯克大學生成的新穎量子態示意圖。實驗中生成了一列 20 個原子比特系統內的多量子糾纏。可觀測到相鄰的 2/3/4/5 原子組間（藍色/粉色/紅色/黃色）的糾纏狀態

此次實驗之前的記錄都由基於離子阱的量子比特系統保持。基於離子阱的單量子比特的操作誤差已經低於10-6，僅是超導量子比特的千分之一；兩比特門操作誤差低於10-3，為超導量子比特的五分之一；量子比特狀態讀出誤差低於10-4，約為超導量子比特的百分之一。

同時，量子比特系統糾纏數目的記錄也由基於離子阱系統的量子比特保持。緊隨其後的是，基於超導量子比特的糾纏記錄，為10個；基於光子量子比特的糾纏記錄也為10個，分別由浙大和中科大的小組保持。

真正的多粒子糾纏

在物理學上，相互糾纏的多個粒子不能被簡單描述為多個有著固定狀態的個體粒子的組合，只能作為一個整體系統。所以理解大量粒子之間的糾纏會變得尤為困難。這裡我們要將多個個體粒子的糾纏和真正的多粒子糾纏進行區分。多粒子糾纏只能夠被當成一個包含所有粒子，擁有全新特性的整體系統來看待，而不能看成其糾纏子系統的簡單疊加。

IQOQ 研究團隊則利用激光將 20 個鈣原子在離子阱實驗中糾纏，並觀測這個系統中多粒子糾纏的動態擴展。

Lanyon 說：「粒子起初兩兩糾纏，通過應用維也納和烏爾姆同事們研發的檢測方法，我們已經可以證明，糾纏會進一步擴散到所有相鄰的粒子三聯體、大多數四聯體、以及一些五聯體中。」

新檢測方法

該小組在最新的工作中使用了兩種檢測方法，由烏爾姆大學 Martin Plenio 的研究組和維也納 IQOQI Marcus Huber 的團隊研發。

「我們選擇了 MacGyver 主義方法。」 （MacGyver ，馬蓋先，美國電視劇。劇中主人公善用科學知識和身邊常用物品解決問題。）Nicolai Friis 得意道：「我們必須找到了一種僅需要少數幾次測量就能檢測到多粒子糾纏的新方法。」

在實驗中，研究者僅進行了 30 億種可能測量中的 27 種就實現了對於實驗中的三量子糾纏的檢測。

Huber 和 Friis 的團隊使用方法測量次數少，且測量結果易於分析。而維也納和烏爾姆的理論研究者則使用了互補的方法：他們應用的是基於數值方法的更為複雜的技術。

Martin Plenio 研究組成員 Oliver Marty 說：「儘管這種技術很有效，但是隨著量子比特數增加，計算需求隨之暴增。由於運算能力上的限制，我們最終只能最多檢測到五粒子糾纏。」

通向實際應用的一大步

Nicolai Friis 強調說：「我們已經能檢測到很多量子系統（比如超冷氣體）內大量粒子之間的糾纏，但最新實驗能夠定址並讀出每個量子比特。」因此，它適用於量子模擬或量子信息處理等實際應用。 Rainer Blatt 和他的團隊希望在未來實驗中進一步提升量子比特數。他說：「我們的中期目標是 50 個粒子（量子比特）。這能夠幫助我們解出當今最好的超級計算機都無能為力的問題。」

烏爾姆和維也納的物理學家堅信，這個在因斯布魯克誕生的離子阱方法未來將會被更廣泛的應用。

Friis 和 Marty 說：「我們想要進一步推進這一方法。通過利用對稱性並專註於一些可觀察量， 我們還能進一步優化這些方法來檢測更大規模的多粒子糾纏系統。」

值得一提的是，我國清華大學研究小組在基於16 量子比特的 IBM 量子計算機（IBM qx5）上實現了 16 量子比特的全糾纏，不僅打破了超導量子計算系統中10 量子比特糾纏的記錄，還打破了光子平台上的 10 光子量子糾纏的記錄。目前，該實驗結果已在 arxiv 上發表，正在投稿中。