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我国科学家在超导量子计算和量子模拟领域取得系列重要进展

在国家自然科学基金项目(项目编号:11434008,91536108,91321208,11574380)等资助下,浙江大学王浩华研究小组、中科院物理所范桁、郑东宁研究小组和中国科学技术大学朱晓波研究小组等多个团队联合攻关,在基于超导比特的量子计算和量子模拟实验研究中取得重要进展。他们利用集成有10个比特的超导量子处理器模拟了量子系统中的多体局域效应,实验中首次量化展示了系统纠缠熵随时间对数增长这一多体局域的重要特征,展示了超导比特在量子模拟方面的应用前景。相关成果以“Emulating Many-Body localization with a superconducting quantum processor”(基于超导器件的多体局域化效应的量子模拟)为题发表于2018年2月2日的Physical Review Letters(《物理评论快报》)上。博士研究生许凯和陈锦俊为论文的共同第一作者。

量子模拟是利用可控量子系统对探索中的量子系统进行比照研究的方法。局域是凝聚态物理中的一种重要物理现象,它在有随机势存在的无相互作用系统中表现为安德森局域。量子多体局域化是一种新提出的量子现象,因为系统非可积存在长程相互作用,不同于安德森局域。多体局域本质上是因为粒子间的相互作用和随机势的相互竞争,具有纠缠熵随时间对数增长的独特性质。虽然多体局域在光学晶格等系统中已经被模拟实现,由于实验平台的限制,其最典型的纠缠熵的时间对数增长效应特征目前尚未有直接的实验证据。

该实验依托于一个具有高连通性的10比特超导量子处理器。任意两比特之间可以借助谐振腔相互作用,因此系统可以映射到一个有相互作用的多体模型。实验首先通过控制随机势标定了系统从热相到局域相的转变,即在不施加随机势的情况下,系统会热化;在有较强随机势的情况下,系统进入局域相并且初态信息得以保存。该工作第一次从实验上观测到了系统纠缠熵的时间对数增长效应,联合研究团队借助于超导量子处理器的可编程操控优势和高效的量子态层析技术,实验精确标定了半链系统密度矩阵的时间演化轨迹,从而可以量化系统纠缠熵的时间演化行为。

这项工作是联合研究团队在超导量子计算和量子模拟领域长期合作攻关的最新研究成果。近两年来,包括浙江大学、中国科学技术大学、中科院物理所和福州大学在内的多个国内研究团队紧密合作,在超导器件的制备和多比特操控等方面有了一定的技术积累,取得了一系列国际领先的研究成果。不久前,联合研究团队使用该超导量子处理器制备了10超导比特的GHZ全局纠缠态,创造了固态体系全局纠缠量子比特数的世界纪录,相关成果以“10-Qubit entanglement and parallel logic operations with a superconducting circuit”(基于超导器件的10量子比特纠缠和并行量子逻辑门)为题发表在2017年11月3日的《物理评论快报》上。同时,利用一个类似的具有高连通性的5比特超导量子处理器,联合研究团队还实现了多达4比特的多重受控逻辑门,保真度指标达到国际领先水平,相关成果以“Continuous-Variable geometric phase and its manipulation for quantum computation in a superconducting circuit”(基于超导器件的连续变量几何相位及其在量子逻辑门中的应用)为题发表在2017年10月20日的Nature Communications(自然·通讯)上。上述成果均得到国家自然科学基金的大力支持,博士研究生宋超和许凯为主要实验完成人。

联合研究团队的这一系列成果为该领域未来研发有实用价值的超导量子计算和量子模拟器打下了基础。

 

本文来源:国家自然科学基金委员会

转自科学网

 


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