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物理学系在超导量子计算和量子模拟领域取得重要研究成果

编辑:phyzhch 时间:2018年03月08日 访问次数:607

      近期,浙江大学物理学系王浩华课题组在超导量子计算和量子模拟领域取得重要进展。课题组与中科院物理所范桁、郑东宁研究小组和中国科学技术大学朱晓波研究小组等多个团队合作,利用集成有10个比特的超导量子处理器模拟了量子系统中的多体局域效应,在实验中首次量化展示了系统纠缠熵随时间对数增长这一多体局域的重要特征,显示了超导比特在量子模拟方面的应用前景。相关成果以“EmulatingMany-Body Localization with a Superconducting Quantum Processor”为题发表于2018年2月2日的Physical Review Letters(物理评论快报)上。浙江大学研究生许凯和物理所研究生陈锦俊为论文的共同第一作者,浙江大学王浩华、物理所范桁和中科大朱晓波为论文的共同通讯作者。文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.050507。

      该实验依托于一个具有高连通性的10比特超导量子处理器。任意两比特之间可以借助谐振腔相互作用,因此系统可以映射到一个有相互作用的多体模型。实验首先通过控制随机势标定了系统从热相到局域相的转变,即在不施加随机势的情况下,系统会热化;在有较强随机势的情况下,系统进入局域相并且初态信息得以保存。联合研究团队借助于超导量子处理器的可编程操控优势和高效的量子态层析技术,通过实验精确标定了半链系统密度矩阵的时间演化轨迹,从而可以量化系统纠缠熵的时间演化行为,从实验上观测到系统纠缠熵随时间的对数增长效应。
▲实验采用一个高连通性的10比特量子芯片,通过给比特施加可编程控制的
   随机势使系统发生多体局域效应。纠缠熵表现出随时间对数增长的现象。
 
      不久前,王浩华课题组还与中科大、物理所、福州大学等研究小组合作,使用该超导量子处理器制备了10超导比特的GHZ全局纠缠态,创造了固态体系GHZ纠缠量子比特数的世界纪录。相关成果以“10-Qubit Entanglement and Parallel Logic Operations with a Superconducting Circuit”为题发表在2017年11月3日的Physical Review Letters(物理评论快报)上。 
      同时,研究团队还在一个类似的具有高连通性的5比特超导量子处理器上提出并实现了一种新型的多比特受控逻辑门方案。相关成果以“Continuous-Variable Geometric Phase and its Manipulation for Quantum Computation in a Superconducting Circuit”为题发表在2017年10月20日的Nature Communications(自然·通讯)上。在这一工作中,研究团队通过驱动处理器上的中心谐振腔,使其量子态根据量子比特的不同状态在相空间内行走不同的封闭路径。在此基础上,研究团队成功观测到了量子力学预言中的几何相位,更发现了利用这一现象可以非常高效地一步构造出从两比特、三比特...到n比特的多重受控逻辑门。研究团队在实验上依次制备并表征了两量子比特、三量子比特、四量子比特受控逻辑门,门的保真度指标达到国际先进水平。上述两项成果中浙江大学研究生宋超和许凯为主要实验完成人,浙江大学王浩华、福州大学郑仕标和中科大朱晓波为论文的共同通讯作者。
▲量子芯片和控制电路的示意图,以及两量子比特、三量子比特、四量子比特受控逻辑门的表征数据
 
     这一系列成果得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中央高校基本科研业务费的资助。