近年來，超導量子計算發展迅速，大家關注的應用一般有兩個方向，量子算法的實作以及量子模拟多體系統的性質。利用超導量子比特實作多粒子糾纏，可展示系統同時控制多個量子比特的能力，且量子糾纏作為一種量子計算有用的資源，能友善制備會降低量子算法的實作難度，但是對于利用量子糾纏突破經典方法測量精度的标準量子極限，并進一步逼近海森堡極限的探索不多，這個方向即為量子計量學的内容。
量子計量學有着廣闊的應用前景，其目的是利用糾纏态，實作突破經典技術的精度極限，以期實作對某些實體量超高精度的測量。生活經驗告訴我們，直接用卡尺測量一張紙的厚度有一定的難度，但是測量一疊紙的厚度除以紙張層數則很容易地得到一張紙的厚度。量子計量學就是基于這種樸素的思想，比如考慮測量光量子比特的相位資訊，如果這些光子是互相獨立的，根據統計的中心極限定理，則多次測量的精度隻能達到散粒噪聲極限，也稱為标準量子極限，但是如果把這些光子全部糾纏起來形成特殊的多粒子糾纏态，其相位資訊則被放大，如同多層紙張疊起來一樣，這時再測量相位資訊即可突破标準量子極限，并可以接近受制于量子力學測不準原理限制的精度最終極限，一般稱之為海森堡極限，這種性質可以稱為量子計量學優勢。
對海森堡極限的逼近程度和實作探測的多粒子态的糾纏程度相關，但是多粒子糾纏大小的度量是一個複雜的問題，也依賴于人們所關注的具體應用，量子計量學優勢可以用量子費舍爾資訊度量，也和糾纏大小直接相關。遺憾的是盡管高斯型壓縮态的糾纏與量子計量學優勢可以用線性壓縮系數刻畫，但是對于過壓縮區域的非高斯糾纏态，線性壓縮系數無法判斷是否存在多體糾纏。近年來，人們注意到可以将壓縮系數從原始概念的線性，推廣為非線性壓縮系數，能很好地刻畫非高斯态的糾纏度，并和量子計量學優勢直接相關，但受制于多量子比特單發測量的實驗難度，非線性壓縮系數的測量并沒有在各種多粒子糾纏體系中實作。
多粒子糾纏可以用超導量子比特實作，人們是否可以獲得具有高量子計量學優勢的特殊糾纏态呢？
最近，中國科學院實體研究所/北京凝聚态實體國家研究中心固态量子資訊與計算實驗室Q03組許凱副研究員，範桁研究員，超導國家重點實驗室SC5組鄭東甯研究員，與浙江大學王浩華教授團隊，及日本理研張煜然博士、野理(Nori)教授等合作，利用具有20超導量子比特的器件，在實體所新搭建的超導量子計算平台，成功實作了超導量子比特多粒子糾纏态的制備，并結合體系的測量優勢，首次實作了非線性壓縮系數的測量。
實驗表明，制備19比特非高斯壓縮态，可以實作非常接近海森堡極限的精度，其獲得的量子優勢是同比特數目的實驗結果中最好的，見圖一，所達到的量子計量學優勢可以和其它系統成千上萬粒子數的糾纏體系比拟，顯示了超導量子計算技術的先進性，相關成果于近期發表于Phys. Rev. Lett. 128, 150501 (2022).
另外，中國科學院實體研究所範桁研究員、博士生孫政杭與中國科學技術大學朱曉波教授、潘建偉教授團隊合作，基于24比特梯子結構的超導量子器件，實作了一維XX和梯子XX兩種不同性質模型的量子模拟，分别觀測到了量子熱化、資訊擾動（information scrambling）和可積系統的非各态曆經動力學特征，實體所團隊負責其中的理論方案，成果于近期發表于Phys. Rev. Lett. 128, 160502 (2022).
圖一. 箭頭所指星号是本工作所達到的量子計量學優勢，結果顯示利用19個超導量子制備的糾纏态，比起其它實驗更逼近陰影邊界所顯示的海森堡極限，上圖為文章附件内容。
圖二. 器件中19個量子比特位置，其互相耦合強度資訊，以及測量線性和非線性壓縮系數，量子費舍爾資訊時的實驗操作步驟。
圖三. 10個超導量子比特糾纏态的線性和非線性壓縮系數，以及量子費舍爾資訊的測量結果對比，量子比特在不同時間點的分布。
圖四. 19個量子比特測量量子費舍爾資訊的線路圖，其分布函數的結果展示。
上述兩項工作分别得到了松山湖材料實驗室北京分部，中科院拓撲量子計算卓越中心和先導B專項，北京量子資訊科學研究院，國家自然科學基金的支援。
參考文獻：
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Metrological characterization of non-Gaussian entangled states of superconducting qubits,
Physical Review Letters 128, 150501 (2022).
[2] Qingling Zhu#, Zheng-Hang Sun#, Ming Gong#, Fusheng Chen, Yu-Ran Zhang, Yulin Wu, Yangsen Ye, Chen Zha, Shaowei Li, Shaojun Guo, Haoran Qian, He-Liang Huang, Jiale Yu, Hui Deng, Hao Rong, Jin Lin, Yu Xu, Lihua Sun, Cheng Guo, Na Li, Futian Liang, Cheng-Zhi Peng, Heng Fan*, Xiaobo Zhu*, Jian-Wei Pan*,
Observation of thermalization and information scrambling in a superconducting quantum processor.
編輯：just_iu