超導(dǎo)量子計(jì)算平臺(tái)可集成多個(gè)量子比特，相干時(shí)間長(zhǎng)、操控和讀出精度高，是實(shí)用化、可擴(kuò)展量子計(jì)算主要技術(shù)路線之一。衡量量子計(jì)算平臺(tái)性能的一個(gè)標(biāo)志性成果是多量子比特糾纏態(tài)的制備，特別是Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)尤為激烈。近期，由浙江大學(xué)王浩華課題組與中國(guó)科學(xué)院物理研究所范桁、鄭東寧課題組所組成的超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)，在長(zhǎng)期合作的基礎(chǔ)上，最近又與中科院自動(dòng)化研究所、北京計(jì)算科學(xué)研究中心等國(guó)內(nèi)單位密切合作，在超導(dǎo)多量子比特糾纏態(tài)的制備方面取得新進(jìn)展。

　　中科院物理所研究員范桁、鄭東寧、副研究員許凱、博士生李賀康（現(xiàn)浙江大學(xué)博士后）、博士張煜然（現(xiàn)北京計(jì)算科學(xué)研究中心博士后），與浙江大學(xué)博士生宋超、教授王浩華、王大偉、中科院院士朱詩(shī)堯，以及中科院自動(dòng)化所研究員蒿杰、助理研究員馮卉等通力合作，經(jīng)過(guò)近兩年時(shí)間的器件設(shè)計(jì)與制備、實(shí)驗(yàn)測(cè)控運(yùn)行及數(shù)據(jù)處理，成功將全局量子糾纏的量子比特?cái)?shù)目推進(jìn)到20個(gè)，特別是實(shí)現(xiàn)了18個(gè)量子比特GHZ態(tài)制備，其保真度超過(guò)GHZ多體真糾纏的判據(jù)閾值，并首次展示了20量子比特5組分薛定諤貓態(tài)。這一成果將固態(tài)系統(tǒng)GHZ態(tài)糾纏量子比特?cái)?shù)世界紀(jì)錄從10個(gè)推進(jìn)到18個(gè)，薛定諤貓態(tài)比特?cái)?shù)推進(jìn)到20個(gè)，成果已于8月9日在國(guó)際學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)》發(fā)表（Science 365, 574-577 (2019)）。

　　同期《科學(xué)》上也背靠背發(fā)表了哈佛大學(xué)Mikhail Lukin組20量子比特薛定諤貓態(tài)的工作(Science 365, 570-574 (2019))，他們利用里德堡原子制備了薛定諤貓態(tài)并證明其GHZ態(tài)的糾纏數(shù)目可以達(dá)到20量子比特。另外，美國(guó)IBM超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)的預(yù)印本（arXiv:1905.05720）同樣報(bào)道了其20超導(dǎo)量子比特糾纏態(tài)制備的實(shí)驗(yàn)工作，數(shù)據(jù)顯示18比特GHZ糾纏態(tài)保真度超過(guò)了多體真糾纏的閾值判據(jù)（0.5），與浙江大學(xué)與物理所團(tuán)隊(duì)所報(bào)道的保真度幾乎持平。三篇文章報(bào)道的糾纏態(tài)比特?cái)?shù)目基本處于同樣水平，也幾乎同時(shí)投送到預(yù)印本庫(kù)(浙大物理所團(tuán)隊(duì)5月1日提交：arXiv:1905.00320; IBM團(tuán)隊(duì)5月14日提交：arXiv:1905.05720; 哈佛團(tuán)隊(duì)5月14日同時(shí)提交：arXiv:1905.05721)，反映了以糾纏態(tài)制備為代表的多量子比特相干操控是目前主要的努力目標(biāo)之一。

　　薛定諤貓（態(tài)）來(lái)源于量子力學(xué)奠基人之一薛定諤所提出的一個(gè)著名假想實(shí)驗(yàn)，設(shè)想微觀粒子態(tài), |0〉,|1〉，和宏觀生命狀態(tài)貓的死和活相關(guān)聯(lián)，形成相干疊加的量子態(tài)形式，|0〉|貓活〉+|1〉|貓死〉，則該只貓既不是死也不是活；同時(shí)，薛定諤貓態(tài)也和愛(ài)因斯坦-波多爾斯基-羅森（EPR）對(duì)的量子糾纏態(tài)有相似的形式，|00〉+|11〉，只不過(guò)愛(ài)因斯坦-波多爾斯基-羅森對(duì)一般指空間分離的兩個(gè)微觀粒子，1990年提出的GHZ態(tài)是薛定諤貓態(tài)和EPR對(duì)的直接推廣, |000〉+|111〉, 但是指出了全局糾纏的概念，因?yàn)樵诓豢紤]第三個(gè)粒子時(shí)，GHZ態(tài)中任意兩個(gè)粒子間沒(méi)有量子糾纏，只有經(jīng)典關(guān)聯(lián)，所以三個(gè)粒子是全局糾纏在一起的。由于這些概念相互關(guān)聯(lián)，而量子態(tài)的具體形式又基本相同，現(xiàn)在把多粒子糾纏態(tài)|00…0〉+|11…1〉稱之為多比特GHZ態(tài)，或者兩組分的薛定諤貓態(tài)，同時(shí)把相似的多組分疊加態(tài)統(tǒng)稱為薛定諤貓態(tài)，文章中采取這樣的約定，圖一展示了薛定諤貓態(tài)和GHZ態(tài)。

　　多量子比特GHZ和薛定諤貓態(tài)制備，一方面可用來(lái)進(jìn)行量子力學(xué)基本問(wèn)題探索，比如驗(yàn)證量子態(tài)非定域性和互文性（contextuality, 指互不對(duì)易的兩種測(cè)量算子，對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果依賴于兩個(gè)測(cè)量的先后順序）等原理，如貝爾不等式和Mermin不等式等；另一方面如果可以制備各種糾纏態(tài)如簇態(tài)，則通用量子計(jì)算可采用遵從特定時(shí)序的單量子比特測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，即單向方式，會(huì)大大降低實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的難度，所以多比特糾纏態(tài)的制備是實(shí)現(xiàn)單向量子計(jì)算的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　實(shí)驗(yàn)中所采用的器件上集成有20個(gè)超導(dǎo)量子比特，請(qǐng)參考示意圖，其平均相干時(shí)間達(dá)到34微秒，全部超過(guò)了20微秒，最高達(dá)到51微秒，多數(shù)集中在30多微秒，所有量子比特可通過(guò)同一共振腔產(chǎn)生相互作用，和共振腔的耦合參數(shù)幾乎相等，反映了器件制備工藝穩(wěn)定，有利于GHZ態(tài)和薛定諤貓態(tài)的制備，每個(gè)量子比特都可以精確調(diào)控，實(shí)驗(yàn)利用隨機(jī)旋轉(zhuǎn)操作標(biāo)定的單比特邏輯門(mén)保真度都超過(guò)0.99，平均達(dá)到0.996，長(zhǎng)相干時(shí)間、操控精度及讀出、以及相同的共振頻率等都是實(shí)驗(yàn)成功的重要基礎(chǔ)。器件量子比特多對(duì)多的構(gòu)型可以在任意兩個(gè)量子比特間產(chǎn)生糾纏和相互作用，有利于實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算多種方案和模擬多種量子現(xiàn)象，圖2展示了實(shí)驗(yàn)所使用的具有20量子比特的超導(dǎo)量子處理器及量子態(tài)演化中的布洛赫球分布。實(shí)驗(yàn)中先將每個(gè)量子比特都精確制備于位于布洛赫球赤道X方向處的疊加態(tài)，然后讓所有量子比特根據(jù)系統(tǒng)哈密頓量進(jìn)行演化，根據(jù)器件構(gòu)型和參數(shù)，系統(tǒng)哈密頓量等同于Z算子和的平方，量子態(tài)將產(chǎn)生自旋壓縮態(tài)，并在不同時(shí)間點(diǎn)分別出現(xiàn)5,4,3,2個(gè)組分疊加的薛定諤貓態(tài)，其中兩組分的薛定諤貓態(tài)就是GHZ態(tài)。

　　GHZ態(tài)是一種多體糾纏態(tài)，其糾纏判據(jù)對(duì)應(yīng)于所制備的量子態(tài)和目標(biāo)態(tài)的保真度超過(guò)0.5，對(duì)實(shí)驗(yàn)精度要求非常之高，保真度由兩部分構(gòu)成，即占據(jù)數(shù)和相干量。以占據(jù)數(shù)為例，18量子比特的占據(jù)幾率分布有2¹⁸種，一般需要測(cè)量2²³次得到幾率分布，即測(cè)量八百萬(wàn)次，其中一半必須得到正確的結(jié)果，而其它分布是隨機(jī)的幾乎可以忽略，實(shí)驗(yàn)中得到保真度約為0.525±0.005，證明了18量子比特GHZ是多體真糾纏，即此糾纏不是由于部分比特間有糾纏而導(dǎo)致的結(jié)果，而是GHZ特有的全局糾纏。

　　量子態(tài)的演化過(guò)程可以很直觀地用多量子比特在布洛赫球分布的Q函數(shù)來(lái)刻畫(huà)，可以發(fā)現(xiàn)在不同的時(shí)間點(diǎn)，量子態(tài)分別演化為多組分的薛定諤貓態(tài)，組分?jǐn)?shù)分別為2, 3, 4, 5, 其中5組分是第一次被實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到，因此實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了20量子比特的薛定諤貓態(tài)，其量子特性可以由魏格納函數(shù)確定，證明20比特薛定諤貓態(tài)被成功制備，請(qǐng)參考圖1。

　　谷歌和IBM選擇以超導(dǎo)量子比特作為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的技術(shù)路線，團(tuán)隊(duì)實(shí)力強(qiáng)勁，過(guò)去有（自）媒體報(bào)道谷歌完成了有72個(gè)超導(dǎo)量子比特的器件，而IBM已經(jīng)制備出50左右量子比特的器件，這次IBM團(tuán)隊(duì)的論文展示了利用20量子比特器件可以達(dá)到18量子比特的GHZ態(tài)，保真度比浙大物理所團(tuán)隊(duì)稍低，但I(xiàn)BM團(tuán)隊(duì)利用邏輯門(mén)操作制備GHZ態(tài)，技術(shù)上又具有一定挑戰(zhàn)性，哈佛大學(xué)Lukin組同期《科學(xué)》文章利用里德堡原子，采用了優(yōu)化控制和補(bǔ)償探測(cè)效率等方法，實(shí)現(xiàn)了20量子比特薛定諤貓態(tài)和GHZ態(tài)。總體來(lái)講，精度和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上各團(tuán)隊(duì)現(xiàn)階段基本處于同樣水準(zhǔn)。

　　有噪音中小規(guī)模量子計(jì)算暫時(shí)還沒(méi)有達(dá)到能超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的水準(zhǔn)，但是有噪音20量子比特的動(dòng)力學(xué)已經(jīng)很難用經(jīng)典計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，比特信息存儲(chǔ)已達(dá)到現(xiàn)有計(jì)算機(jī)上限，而且會(huì)隨量子比特?cái)?shù)指數(shù)增長(zhǎng)。也就是現(xiàn)階段，經(jīng)典計(jì)算機(jī)已經(jīng)不能判斷量子計(jì)算結(jié)果，是否可以表述為經(jīng)典和量子計(jì)算能力已經(jīng)互不可比呢？

　　此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試在浙江大學(xué)完成，器件設(shè)計(jì)制備、數(shù)據(jù)分析等由各單位協(xié)作完成，此工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(No. 2017YFA0304300，No. 2016YFA0300600)、自然科學(xué)基金(No. 11725419，No. 11434008)及中科院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)(No. XDB28000000)等的支持。

　　本文同等貢獻(xiàn)一作為：宋超（浙江大學(xué)），許凱（中科院物理所），李賀康（中科院物理所），通訊作者為：王浩華（浙江大學(xué)）、范桁（中科院物理所）、鄭東寧（中科院物理所）。

　　 文章鏈接 

　　圖1：量子態(tài)的時(shí)間演化過(guò)程，薛定諤貓態(tài)和GHZ態(tài)在不同時(shí)間點(diǎn)被分別制備，上下兩行A、B是數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)照，C部分展示了薛定諤貓態(tài)的量子性驗(yàn)證，此圖來(lái)自《科學(xué)》文章配圖。

　　圖2：本示意圖背景為實(shí)驗(yàn)所使用的具有20超導(dǎo)量子比特的處理器，中間部分對(duì)應(yīng)量子態(tài)演化時(shí)其在布洛赫球上的分布。