破纪录！科学家实现 20 量子比特的全受控量子纠缠

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围绕着量子比特数目的竞争愈演愈烈，各巨头纷纷发力以图早日实现基于50量子比特的“量子霸权”：

在超导量子计算方面，谷歌于今年3月宣布正在测试其基于72个量子比特的Bristlecone芯片。IBM于17年年底已宣布成功搭建并测试基于20量子比特和50量子比特的量子计算机，其中基于20量子比特的量子计算机（IBM QS1_1）目前已可通过云技术进行接入。 在今年的CES大会上，英特尔也宣布开始制造和测试基于49量子比特的量子芯片“Tangle Lake”。

然而，量子比特的数目并不能说明全部问题，目前量子计算发展的真正瓶颈在于对量子比特叠加、纠缠、测量和纠错的优化控制。当前量子比特操控的质量，而非数量，才是关键。

因此，全世界的科学家们一直在致力于实现由更多量子比特纠缠系统、更低错误率的系统以及更优的探测手段。

2011 年，因斯布鲁克大学实验物理研究所 Rainer Blatt 研究组首次将 14 个可寻址的量子比特纠缠在一起，实现了当时最大的全受控纠缠量子寄存器。近日，这个记录被再次刷新。

由奥地利科学院量子光学与量子信息研究所（the Institute of Quantum Optics and Quantum Information of the Austrian Academy of Sciences， IQOQI）的 Ben Lanyon 和 Rainer Blatt 领导的研究团队与德国乌尔姆大学和维也纳 IQOQI 的理论物理学家们合作实现了基于 20 量子比特的全受控多量子纠缠。研究者们能够在 3/4/5 量子比特组间检测到真正的多量子纠缠。

图丨在因斯布鲁克大学生成的新颖量子态示意图。实验中生成了一列 20 个原子比特系统内的多量子纠缠。可观测到相邻的 2/3/4/5 原子组间（蓝色/粉色/红色/黄色）的纠缠状态

此次实验之前的记录都由基于离子阱的量子比特系统保持。基于离子阱的单量子比特的操作误差已经低于10-6，仅是超导量子比特的千分之一；两比特门操作误差低于10-3，为超导量子比特的五分之一；量子比特状态读出误差低于10-4，约为超导量子比特的百分之一。

同时，量子比特系统纠缠数目的记录也由基于离子阱系统的量子比特保持。紧随其后的是，基于超导量子比特的纠缠记录，为10个；基于光子量子比特的纠缠记录也为10个，分别由浙大和中科大的小组保持。

真正的多粒子纠缠

在物理学上，相互纠缠的多个粒子不能被简单描述为多个有着固定状态的个体粒子的组合，只能作为一个整体系统。所以理解大量粒子之间的纠缠会变得尤为困难。这里我们要将多个个体粒子的纠缠和真正的多粒子纠缠进行区分。多粒子纠缠只能够被当成一个包含所有粒子，拥有全新特性的整体系统来看待，而不能看成其纠缠子系统的简单叠加。

IQOQ 研究团队则利用激光将 20 个钙原子在离子阱实验中纠缠，并观测这个系统中多粒子纠缠的动态扩展。

 Lanyon 说：“粒子起初两两纠缠，通过应用维也纳和乌尔姆同事们研发的检测方法，我们已经可以证明，纠缠会进一步扩散到所有相邻的粒子三联体、大多数四联体、以及一些五联体中。”

新检测方法

该小组在最新的工作中使用了两种检测方法，由乌尔姆大学 Martin Plenio 的研究组和维也纳 IQOQI Marcus Huber 的团队研发。

“我们选择了 MacGyver 主义方法。” （MacGyver ，马盖先，美国电视剧。剧中主人公善用科学知识和身边常用物品解决问题。）Nicolai Friis 得意道：“我们必须找到了一种仅需要少数几次测量就能检测到多粒子纠缠的新方法。” 

在实验中，研究者仅进行了 30 亿种可能测量中的 27 种就实现了对于实验中的三量子纠缠的检测。

Huber 和 Friis 的团队使用方法测量次数少，且测量结果易于分析。而维也纳和乌尔姆的理论研究者则使用了互补的方法：他们应用的是基于数值方法的更为复杂的技术。 

Martin Plenio 研究组成员 Oliver Marty 说：“尽管这种技术很有效，但是随着量子比特数增加，计算需求随之暴增。由于运算能力上的限制，我们最终只能最多检测到五粒子纠缠。”

通向实际应用的一大步

Nicolai Friis 强调说：“我们已经能检测到很多量子系统（比如超冷气体）内大量粒子之间的纠缠，但最新实验能够寻址并读出每个量子比特。”因此，它适用于量子模拟或量子信息处理等实际应用。 Rainer Blatt 和他的团队希望在未来实验中进一步提升量子比特数。他说：“我们的中期目标是 50 个粒子（量子比特）。这能够帮助我们解出当今最好的超级计算机都无能为力的问题。”

乌尔姆和维也纳的物理学家坚信，这个在因斯布鲁克诞生的离子阱方法未来将会被更广泛的应用。

Friis 和 Marty 说：“我们想要进一步推进这一方法。通过利用对称性并专注于一些可观察量， 我们还能进一步优化这些方法来检测更大规模的多粒子纠缠系统。”

值得一提的是，我国清华大学研究小组在基于16 量子比特的 IBM 量子计算机（IBM qx5）上实现了 16 量子比特的全纠缠，不仅打破了超导量子计算系统中10 量子比特纠缠的记录，还打破了光子平台上的 10 光子量子纠缠的记录。目前，该实验结果已在 arxiv 上发表，正在投稿中。

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编辑：wyx、Alex

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