中國科學技術大學潘建偉、朱曉波和彭承志等組成的超導量子實驗團隊，聯(lián)合中國科學院物理研究所范桁等理論小組，開創(chuàng)性地將超導量子比特應用到量子隨機行走的研究中。該工作將對未來多體物理現(xiàn)象的模擬以及利用量子隨機行走進行通用量子計算研究產(chǎn)生重要影響。這一研究成果于5月2日在線發(fā)表在國際學術期刊《科學》上。

　　量子隨機行走是經(jīng)典隨機行走在量子力學中的拓展，區(qū)別于經(jīng)典隨機行走，量子隨機行走利用量子疊加態(tài)的特性，粒子在格點中游走特性需要用量子力學的波函數(shù)統(tǒng)計規(guī)律來詮釋。量子隨機游走本身可以模擬多體物理體系的量子行為，并且理論上最終可用于通用量子計算，因而引發(fā)了高度關注。

　　超導量子計算作為量子計算最有前景的方案之一，受到各國政府的高度關注，也得到了包括Google、IBM、Intel、騰訊、阿里巴巴等在內的各大型公司的直接投入。超導量子計算作為固態(tài)量子計算方案，其內在的優(yōu)勢就在于其工藝上就具有良好的可擴展性。然而在不斷集成更多的量子比特的同時，如何保證所有量子比特的質量是目前最大的挑戰(zhàn)。

　　近兩年來，雖有報道IBM、Google等公司的超導量子計算研究團隊分別研發(fā)了50比特及72比特的超導量子處理器，但是至今仍未能有完整的公開數(shù)據(jù)表明其處理器的質量，在最大糾纏比特數(shù)目這一標定多量子比特計算系統(tǒng)的關鍵指標上也沒有結果發(fā)表。潘建偉及其同事朱曉波、陸朝陽、彭承志等人通過設計和加工了高品質的12比特一維鏈超導比特處理器，成功實現(xiàn)了12個超導量子比特的多體真糾纏態(tài)“簇態(tài)”的制備。這個新的工作打破了此前由中國科大、浙江大學、物理所聯(lián)合研究組創(chuàng)造的10個超導量子比特糾纏的記錄。尤其重要的是，中國科大小組生成糾纏的方式是由標準的量子比特門搭建而成，不同于先前的集體共振耦合，根本上具有更好的可擴展性。這一記錄也是目前固態(tài)量子系統(tǒng)內最大的多體真糾纏比特數(shù)目。相關成果以“編輯推薦”的形式近期發(fā)表于《物理評論快報》。

　　正是基于自主研制的高質量的超導量子計算系統(tǒng)，研究團隊首次在固態(tài)量子計算系統(tǒng)中實驗演示了強關聯(lián)糾纏體系的量子隨機游走。研究團隊研究了單粒子及雙粒子激發(fā)下一維短程耦合的量子隨機行走，觀察到了高保真度的態(tài)、糾纏度及關聯(lián)函數(shù)在時空光錐中的含時演化。此外，實驗上首次觀察到了由于邊界反射及波函數(shù)干涉形成的次級糾纏波陣面的傳播行為。在引入雙粒子激發(fā)的情況下，實驗上觀測到了由時間依賴的長程反相關的強關聯(lián)光子形成的費米子化行為，描繪出光子的反聚束行為。該工作首次利用人工量子比特進行光子反聚束行為的模擬，為未來利用量子隨機行走進行多體物理現(xiàn)象的模擬以及通用量子計算研究打下了基礎。

　　圖1：單光子在11個一維鏈超導量子比特中的隨機游走。A/D、B/E、C/F分別為從中間位置、最左端及最右端開始激發(fā)量子比特并進行隨機游走。實驗上清晰地觀察到了激發(fā)在邊緣的反射形成的回波，與理論吻合。（圖來自《科學》文章正文）

    圖2：雙光子在12個量子比特中的隨機游走。A、B分別展示了激發(fā)中間位置及邊緣位置兩個量子比特后的隨機游走行為。C-H展示了隨著時間演化，二階關聯(lián)與量子比特運動方向的關系，展示了強關聯(lián)光子的費米子化行為。（圖來自《科學》文章正文）