对海森堡极限的逼近程度和实现探测的多粒子态的纠缠程度相关,但是多粒子纠缠大小的度量较复杂,并依赖于人们所关注的具体应用,量子计量学优势可以用量子费舍尔信息度量,也和纠缠大小直接相关。尽管高斯型压缩态的纠缠与量子计量学优势可以用线性压缩系数刻画,但是对于过压缩区域的非高斯纠缠态,线性压缩系数无法判断是否存在多体纠缠。近年来,可以将压缩系数从原始概念的线性推广为非线性压缩系数,能较好地刻画非高斯态的纠缠度,并和量子计量学优势直接相关,但受制于多量子比特单发测量的实验难度,非线性压缩系数的测量并没有在各种多粒子纠缠体系中实现。

中科院等科学家实现超导多量子比特纠缠逼近海森堡极限

图4.19个量子比特测量量子费舍尔信息的线路图,其分布函数的结果展示

多粒子纠缠可以用超导量子比特实现,是否可以获得具有高量子计量学优势的特殊纠缠态?

最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心固态量子信息与计算实验室副研究员许凯、研究员范桁,超导国家重点实验室研究员郑东宁,浙江大学教授王浩华团队与日本科研人员等合作,利用具有20超导量子比特的器件,在物理所新搭建的超导量子计算平台实现了超导量子比特多粒子纠缠态的制备,并结合体系的测量优势,首次实现了非线性压缩系数的测量。

中科院等科学家实现超导多量子比特纠缠逼近海森堡极限

图1.箭头所指星号是本工作所达到的量子计量学优势,结果显示利用19个超导量子制备的纠缠态,比起其它实验更逼近阴影边界所显示的海森堡极限,上图为文章附件内容。

实验表明,制备19比特非高斯压缩态可以实现十分接近海森堡极限的精度,其获得的量子优势是同比特数目的实验结果中最好的(图1),所达到的量子计量学优势可以和其它系统成千上万粒子数的纠缠体系比拟,显示了超导量子计算技术的先进性,相关成果于近期发表于Physical Review Letters【Phys. Rev. Lett. 128, 150501 (2022).】上。

此外,范桁、物理所博士生孙政杭与中国科学技术大学教授朱晓波、教授潘建伟团队合作,基于24比特梯子结构的超导量子器件,实现了一维XX和梯子XX两种不同性质模型的量子模拟,分别观测到了量子热化、信息扰动(information scrambling)和可积系统的非各态历经动力学特征,相关成果于近期发表在Physical Review Letters【Phys. Rev. Lett. 128, 160502 (2022).】上。