隨機量子態指的是在整個希爾伯特空間中均勻分布的量子態，由于希爾伯特空間的維數隨著比特數指數增長，在實驗上制備和觀測多比特的隨機量子態是較為困難。同時，隨機態在黑洞物理等領域備受關注。有一些理論工作預測，將隨機態劃分為系統和環境兩部分后，改變環境和系統的相對大小，系統內會出現糾纏相變。然而，這種糾纏相變需要用到糾纏負度（negativity） 來刻畫，而對多比特糾纏系統，這一實驗測量頗為困難。同時考慮到多比特隨機量子態制備的挑戰性，這種糾纏相變未在實驗上被科學家實現和觀測。

　　近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心Q03組博士研究生劉桐在研究員范桁、副研究員許凱的指導下，與SC5組研究員鄭東寧、副主任工程師相忠誠，以及美國加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校博士后劉尚等合作，在一個包含20比特的全連通超導量子芯片上首次觀測了這種相變。

　　該團隊通過基于全連通芯片上特有的全局糾纏邏輯門以及隨機單比特邏輯門所構建的偽隨機線路來實現隨機量子態的制備。由于這種全局糾纏門具有較強的糾纏能力，實驗上通過較淺的偽隨機線路就可以制備出包含最多15個比特的隨機態，進而采用量子態層析法獲得6比特的密度矩陣，實驗上便得到待研究系統不同組分間的糾纏負度譜和對數負度。實驗數據表明，糾纏負度譜的分布會隨著環境和系統的大小而變化，實現了從無糾纏相，到最大糾纏相和糾纏飽和相三種不同的糾纏特征，從而實現了糾纏相變的觀測。其中，最大糾纏相和糾纏飽和相可以利用對數負度的行為來區分。在特定的環境大小下，系統間的糾纏滿足Page提出的體積律即是最大糾纏相，而在子系統不同劃分下，對數負度達到一定值后飽和則為糾纏飽和相。同時，為了確認所用線路的隨機性，實驗采樣了多個隨機線路的字符串采樣輸出，并與隨機態所應該滿足的Porter-Thomas分布進行對比，確認實驗中所實現的線路層數符合隨機態制備要求。

　　相關研究成果以《偽隨機混態糾纏相變觀測》為題，發表在《自然-通訊》【Nature Communications 14, 1971 (2023)】。研究工作得到國家自然科學基金、科技部、北京市自然科學基金和中科院戰略性先導科技專項等的支持。

全連通芯片與實驗上的脈沖序列

糾纏負度譜的分布

對數負度與系統和環境間的關系

量子線路采樣得到字符串的概率分布