基于超纠缠态量子学位论文

杭州日报 我们生长于“经典世界”，而今渐渐进入一个崭新的微观空间，它叫“量子世界”。 量子理论是20世纪科学的重大进展之一。早在1900年，德国著名物理学家普朗克就提出了量子这个概念。“一朵云降生了量子论，另一朵云降生了相对论”。 当今“第二次量子革命”正在兴起。现代信息技术，量子力学是硬件基础，数学是软件基础。新华社10月18日报道说，具有代表性的是量子通信和量子计算，是 科技 大国重点抢占的战略技术高地。量子通信，是信息安全传输的“保护盾”，窃听者必然被察觉并被规避；量子计算，则是未来计算技术的“心脏”，谷歌研究人员发论文称，“基于一个包含54个量子比特的量子芯片计算系统，它花费约200秒完成的任务，传统超级计算机要1万年才能完成。” 在量子世界，最著名的原理就是“量子纠缠”——爱因斯坦于1935年最早提出了“量子纠缠”的概念。现在通俗地讲就是：两个不同量子，在彼此相互作用后，处于纠缠状态，就像有“心灵感应”，无论相隔多远，一个量子状态变化，另一个也会随之改变。量子世界还真是“有你有我”。 我国有一位“光量子纠缠鬼才”，他叫陆朝阳，以研究量子纠缠闻名，被称为在量子世界里“打怪升级”的“超级玩家”。就在10月7日，“2021年度罗夫·兰道尔和查尔斯·本内特量子计算奖”授予陆朝阳，他成为首位获此殊荣的中国科学家。 青年才俊陆朝阳，1982年12月生于浙江东阳。1998年春节前，他在东阳中学读高中时，潘建伟教授前来所做的一场科普报告，为他揭开量子世界诡谲离奇的一幕，由此使他沉迷其中。潘建伟院士是我国量子研究的领军人物，同样是浙江东阳人，上个月他还来到西湖大学，讲了一课《从爱因斯坦的好奇心到量子信息 科技 》的公开课。“墨子号”量子科学实验卫星科研团队就是他领衔的。 2000年，陆朝阳考入了中科大物理系，顺利进入了潘建伟团队实验室。2007年，24岁的他在国际上首次实验实现了六光子纠缠“薛定谔猫态”和“簇态”，刷新了光量子纠缠的两项世界纪录。2008年，经导师潘建伟建议，陆朝阳去英国剑桥读博。潘建伟自己是在维也纳大学完成博士学位的。与导师一样，陆朝阳学成归国，继续深入研究 探索 量子世界的奥妙，把这个领域做大做强，真正为国为民所用。这就是优秀知识分子的家国情怀。 2010年，28岁的陆朝阳成为中科大最年轻的教授、博士生导师。潘建伟、陆朝阳他们带领团队，构成了中科大量子研究的“梦之队”。2020年2月，陆朝阳荣获美国2020年度“阿道夫·伦奖章”，也是国内第一人。

来自荷兰量子计算公司 QuTech 的一支研究团队，刚刚率先实现了包含三个量子处理器的多节点量子网络，并且获得了关键量子网络协议的原理证明。 在近日发表于《科学》杂志的一篇题为《基于远程固态量子位的多节点量子网络实现》的文章中，他们已经介绍了这项通往未来量子互联网的重要里程碑式发现。

Matteo Pompoili 与 Sophie Hermans（来自：QuTech / Marieke de Lorijn 摄）

互联网的强大之处，在于能够联通地球上任意两台计算机，从而实现数十年前设计的应用程序都梦想不到的新功能。

现如今，世界各地的诸多实验室，都有许多研究人员在努力开发第一个量子互联网。该网络可在相隔极远的距离上，连接任意两台量子设备，比如量子计算机或传感器。

尽管当今的互联网仍在以 0 和 1 这“1-bit”来分配信息，但未来的量子互联网将可同时使用两种位态。

研究团队成员之一的博士研究生 Matteo Pompili 表示：“从无法破解的通信、到具有完全用户隐私的云计算、再到高精度计时等功能，量子互联网将开辟一系列新颖的应用”。

量子网络节点之一，反射镜与滤光片将激光束引导至钻石芯片。

过去十年，研究人员已经设法量两个共享直接物理链接的量子设备连到一起，从而迈出了通往量子互联网的第一步。

不过在实现可伸缩的量子网络之前，仍需搞定通过中间节点的量子信息传输，这点类似于传统互联网中的路由器。

与此同时，许多有前途的量子互联网应用，都依赖于纠缠的量子比特，但它们往往分布在多个节点之间。

所谓纠缠，特指量子尺度上观察到的一种现象，此前研究人员已经揭示过无论远近都能实现纠缠的特性。

除了算力强大的量子计算机，这项特性还为将来量子互联网的量子信息共享奠定了基础。

视频截图（动画示意）

在 QuTech 的实验中，初始的量子网络由三个节点组成，它们在同一建筑物内相距一定的范围。为让这些节点能够组成一个真正的网络来运行，研究人员不得不发明一种新颖的架构，以使之扩展到单个链接之外。

据悉，被称作 Bob 的中间结点，与称作 Alice 和 Charlie 的两个外部节点都具有物理连接，从而允许与这些节点中的每一个都建立量子纠缠链接。

此外 Bob 配备了一个可用作存储器的额外量子比特，以在建立新链接时存储先前生成的量子链接。

在 Alice-Bob 和 Bob-Charlie 之间建立量子链接之后，Bob 可通过一组量子运算，将这些链接转换为 Alice-Charlie 的量子链接。

The Worlds First Rudimentary Quantum Network（via）

量子互联网的一个重要特征，就是需要通过“标志”信号来宣布完成了这些（本质上也是概率性的）协议。这点对于量子网络的可伸缩性至关重要，因为将来需要通过许多这样的协议来串称一个大网。

团队另一位成员 Sophie Hermans 表示：“一旦建立了连接，我们就能保持最终的纠缠状态，并保护其免受噪音的干扰。理论上，我们可以将这些状态用于量子密钥的分发、量子计算、或任何其它后续的量子协议”。

研究领队 Ronald Hanson 总结道：“这是首个基于纠缠的量子网络，可作为研究人员开发和测试量子互联网的软硬件及协议的独特平台”。

未来量子互联网将由无数的量子设备和中间结点组成，QuTech 团队已在研究将之与现有数据基础架构提供兼容的可行性。

在适当的时候，他们将在实验室外的电信光纤上对当前原理进行验证，预计 QuTech 的城际量子互联网演示线路可在 2022 年完成。

【新智元导读】 近日，中国科研团队在量子计算领域再次创造世界纪录！浙江大学、中科院物理所、中科院自动化所以及北京计算科学研究中心等国内单位合作，开发出具有20个超导量子比特的量子芯片，并成功实现对其操控及全局纠缠！

又一项世界纪录！

继去年潘建伟团队实现18个光量子比特纠缠后，近日，由浙江大学、中科院物理所、中科院自动化所、北京计算科学研究中心等国内单位共同合作，再次在 量子计算领域刷新了又一项世界纪录 —— 开发了具有20个超导量子比特的量子芯片，并成功操控，实现了全局纠缠 ！

这一重磅成果刊登在了国际顶级杂志《Science》。

论文地址：

这项工作有多厉害？

只需要在短短187纳秒之内(相当于人眨眼所需时间的百万分之一)，20个人造原子从“起跑”时的相干态，历经多次“变身”，最终形成同时存在两种相反状态的纠缠态。

20比特量子芯片示意图

正如人民日报所评论：

（A）由中央总线谐振器B（灰色）互连的假彩色电路图像显示20个超导量子比特（通过顺时针方向从1到20标记的青色线条）。每个量子比特都有自己的磁通偏置线（蓝色）用于Z控制，16个量子比特具有单独的微波线（红色）用于XY控制，而Q4，Q7，Q14和Q17共享相邻量子比特的微波线。每个量子比特都有自己的读出谐振器（绿色），它耦合到两条传输线中的一条（橙色），以便同时读出。还显示了代表性的量子比特-总线谐振器耦合电容器的放大视图，其中所示的点处具有不同的电容值，以及测量设置的说明性示意图。

（B）通过传输线的信号频谱，|S21|，其中量子比特读出谐振器的响应在下降时可见。

（C）Q20的交换光谱，通过将Q20激励到|1i然后测量其作为量子比特频率和延迟时间函数的|1i-state概率（彩色条）而获得。为消除测量误差而校正的概率数据（27）来自由垂直白色条纹分开的两个连续扫描。在扫描期间，其他19个量子比特在Z控制下按频率进行分类，可以通过人字形图案进行识别，这是由于Q20与总线谐振器B介导的量子比特之间的相干能量交换导致的。放大视图是Q20和B之间的直接能量交换。

图2：18个量子比特的GHZ态

（A）用于产生和表征N-qubit GHZ态的脉冲序列。

（B）N-qubit GHZ奇偶校验振荡。对于每个数据点（蓝色圆圈），通过重复脉冲序列大约30×2^N次，来找到原始的2^N占有几率，然后应用读出校正来消除测量误差（27），之后使用最大似然估计来验证占有几率并计算奇偶校验值P。为了估计误差条（error bars），我们将完整的数据集划分为几个子群，每个子群包含大约5×2^N个样本，并且误差条对应于从这些子群计算的那些标准偏差。红线是正弦曲线拟合，条纹幅度对应于|r00...0,11...1|。对于N=16到18，在整个γ∈[-π/2，π/2]范围内，如果采样尺寸为30×2^N时，则重复测量花费的时间过长。用灰线连起来的灰点来自减小了~2^N采样尺寸的实验数据，没有误差条，作为视觉引导指示正确的N分段振荡周期。

图3显示在实验控制条件下，20 个人造原子集体从零时刻起跑后的相干演化动态过程的捕捉。

不到 200 纳秒的过程中，人造原子的集体状态历经多次变身，在不同时间点出现有不同组份数（对应球中红色圈的数量）的薛定谔猫态，最终形成 2 组份（同时存在两种相反状态）的薛定谔猫态。

A 和 B 图分别为理论预测和实验观察结果。C 图为根据建议在新视角下对 5 组份薛定谔猫态的重新描绘，球中蓝色区域的出现更有力地证明了量子纠缠的存在。

在短短 187 纳秒之内（仅为人眨一下眼所需时间的百万分之一），20 个人造原子从 “起跑” 时的相干态，历经多次 “变身”，最终形成同时存在两种相反状态的纠缠态。论文标题中，团队用了 “薛定谔猫态” 来描述捕捉到的现象。操控这些量子比特生成全局纠缠态，标志着团队能够真正调动起这些量子比特。

通过采用一个满足量子可积条件的新模型，证明了在绝热量子计算中，当把初始状态制备成量子纠缠态时，可在保持一定出错率的情况下，大幅提高量子计算速度