近日，我國科學(xué)家聯(lián)合國際科研人員實現(xiàn)超導(dǎo)多量子比特糾纏逼近海森堡極限，展示了超導(dǎo)量子計算技術(shù)精確操控多量子比特的能力，有望應(yīng)用于量子計量學(xué)。
海森堡極限是受制于量子力學(xué)測不準原理限制的精度最終極限。量子力學(xué)中的測不準原理，也可稱為不確定性原理，由量子力學(xué)創(chuàng)始人之一、德國物理學(xué)家海森堡在1927年提出。
近年來，超導(dǎo)量子計算發(fā)展迅速，量子算法的實現(xiàn)以及量子模擬多體系統(tǒng)的性質(zhì)引起關(guān)注。利用超導(dǎo)量子比特實現(xiàn)多粒子糾纏，可展示系統(tǒng)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(xiàn)難度。但是對于利用量子糾纏突破經(jīng)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(xué)領(lǐng)域的內(nèi)容。
量子計量學(xué)有廣闊的應(yīng)用前景，其目的是利用糾纏態(tài)實現(xiàn)突破經(jīng)典技術(shù)的精度極限，以期實現(xiàn)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(shù)得到一張紙的厚度較容易，量子計量學(xué)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(jù)統(tǒng)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(tài)，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(zhì)可稱為量子計量學(xué)優(yōu)勢。
對海森堡極限的逼近程度和實現(xiàn)探測的多粒子態(tài)的糾纏程度相關(guān)，但是多粒子糾纏大小的度量較復(fù)雜，并依賴于具體應(yīng)用。量子計量學(xué)優(yōu)勢可以用量子費舍爾信息度量，也和糾纏大小直接相關(guān)。盡管高斯型壓縮態(tài)的糾纏與量子計量學(xué)優(yōu)勢可以用線性壓縮系數(shù)刻畫，但是對于過壓縮區(qū)域的非高斯糾纏態(tài)，線性壓縮系數(shù)無法判斷是否存在多體糾纏。
近年來，可以將壓縮系數(shù)從原始概念的線性推廣為非線性壓縮系數(shù)，能較好地刻畫非高斯態(tài)的糾纏度，并和量子計量學(xué)優(yōu)勢直接相關(guān)。但受制于多量子比特單發(fā)測量的實驗難度，非線性壓縮系數(shù)的測量并沒有在各種多粒子糾纏體系中實現(xiàn)。
如果多粒子糾纏可以用超導(dǎo)量子比特實現(xiàn)，能否獲得具有高量子計量學(xué)優(yōu)勢的特殊糾纏態(tài)？
此次，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心固態(tài)量子信息與計算實驗室副研究員許凱、研究員范桁，超導(dǎo)國家重點實驗室研究員鄭東寧，浙江大學(xué)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(dǎo)量子比特，成功制備出逼近量子計量學(xué)中海森堡極限的非高斯壓縮態(tài)，并首次實現(xiàn)了糾纏態(tài)中非線性壓縮系數(shù)的測量。其中，19個量子比特糾纏態(tài)所獲得的量子計量優(yōu)勢明顯優(yōu)于其它系列工作，創(chuàng)造了同量級比特數(shù)量子計量優(yōu)勢的世界紀錄。相關(guān)成果近日發(fā)表在《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(xué)研究院量子計算云平臺團隊長期致力于超導(dǎo)量子計算研究，曾合作制備出20超導(dǎo)量子比特薛定諤貓態(tài)，刷新了固態(tài)系統(tǒng)多粒子糾纏世界紀錄。
本次研究團隊繼續(xù)利用前述具有全聯(lián)通20個超導(dǎo)量子比特的器件，分別使用了其中10個和19個超導(dǎo)量子比特，在中科院物理所新搭建的超導(dǎo)量子計算平臺制備出具有量子計量學(xué)優(yōu)勢的壓縮態(tài)，以及處于過壓縮區(qū)域的非高斯壓縮態(tài)，并測量了此非高斯壓縮態(tài)的非線性壓縮系數(shù)，這是實驗中首次成功實現(xiàn)非線性壓縮系數(shù)的測量。
實驗結(jié)果表明，超導(dǎo)量子比特非高斯壓縮態(tài)已逼近量子計量學(xué)中所能達到的最終精度極限——海森堡極限。基于量子計量學(xué)優(yōu)勢而言，此次實驗中所制備的糾纏態(tài)是同比特數(shù)中最好的，顯示了超導(dǎo)量子計算技術(shù)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(yīng)用于量子計量學(xué)中，同時為基于此實驗系統(tǒng)的量子計算云平臺奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
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(xué)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(xué)基金項目、中科院先導(dǎo)專項B等項目的支持。
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