科學家調整量子比特數組中的糾纏結構

實驗概念。a，16 量子比特晶格中四個量子比特的示例子系統 X 的示意圖。該子系統的體積為 4（栗色站點）和 8 個區域（橙色線）。b， 超導量子電路模拟的二維HCBH晶格.每個位點最多可以被一個粒子占據。c，我們的裝置模拟的HCBH晶格的能量E譜，顯示在與晶格位點共振的旋轉架構中。能譜被劃分為由總粒子數 n 定義的不同扇區。d，糾纏熵 S 與子系統體積 V 的縮放，用于位于能譜中心的特征态（橙色線，對應于 c 中橙色橢圓突出顯示的能量本征态）和位于能譜邊緣的特征态（藍綠色線，對應于 c 中藍綠色橢圓突出顯示的能量本征态）。e， 糾纏行為的變化，由幾何熵比sV/s一個，對于 n = 8 的狀态。f， 由16個超導量子比特組成的倒裝晶片樣品示意圖。g，h，量子比特層（g）和中介層（h）的光學圖像用僞色的量子比特和不同的信号線表示。比例尺，1 毫米。圖檔來源：自然（2024 年）。DOI： 10.1038/s41586-024-07325-z

糾纏是量子物體（例如原子尺度上的粒子）之間的一種關聯形式。經典實體學定律無法解釋這種獨特的量子現象，但它是解釋量子系統宏觀行為的特性之一。

由于糾纏是量子系統工作方式的核心，是以更好地了解它可以讓科學家更深入地了解資訊如何在此類系統中有效存儲和處理。

量子比特或量子比特是量子計算機的建構塊。然而，在多量子比特系統中制造特定的糾纏态是極其困難的，更不用說研究它們了。還有各種糾纏狀态，區分它們可能具有挑戰性。

現在，麻省理工學院的研究人員已經展示了一種技術，可以在一系清單現出特定類型行為的超導量子比特之間有效地産生糾纏。

在過去的幾年裡，工程量子系統（EQuS）小組的研究人員開發了使用微波技術的技術來精确控制由超導電路組成的量子處理器。除了這些控制技術之外，這項工作中引入的方法還使處理器能夠有效地生成高度糾纏的狀态，并将這些狀态從一種糾纏類型轉移到另一種糾纏類型之間，包括在更有可能支援量子加速的類型和不支援量子加速的類型之間。

“在這裡，我們正在證明我們可以利用新興的量子處理器作為進一步了解實體學的工具。雖然我們在這個實驗中所做的一切都是在經典計算機上仍然可以模拟的規模上進行的，但我們有一個很好的路線圖來擴充這種技術和方法，超出經典計算的範圍，“Amir H. Karamlou ' 18， MEng '18， Ph.D. '23 說，該論文的主要作者。

該研究發表在《自然》雜志上。

評估糾纏

在由許多互連的量子比特組成的大型量子系統中，可以将糾纏視為給定的量子比特子系統與較大系統的其餘部分之間共享的量子資訊量。

量子系統内的糾纏可以歸類為面積定律或體積定律，具體取決于這種共享資訊如何與子系統的幾何形狀成比例。在體積定律糾纏中，量子比特子系統與系統其餘部分之間的糾纏量與子系統的總大小成比例增長。

另一方面，面積律糾纏取決于量子比特子系統與更大系統之間存在多少共享連接配接。随着子系統的擴充，糾纏量隻會沿着子系統和較大系統之間的邊界增長。

從理論上講，體積定律糾纏的形成與量子計算如此強大的原因有關。

“雖然我們還沒有完全抽象出糾纏在量子算法中的作用，但我們确實知道産生體積定律糾纏是實作量子優勢的關鍵因素，”奧利弗說。

然而，體積定律糾纏也比面積定律糾纏更複雜，并且使用經典計算機進行模拟的規模幾乎令人望而卻步。

“随着量子系統的複雜性增加，用傳統計算機模拟它變得越來越困難。例如，如果我試圖完全跟蹤一個具有 80 個量子比特的系統，那麼我需要存儲的資訊比我們在整個人類曆史上存儲的資訊還要多，“Karamlou 說。

研究人員建立了一個量子處理器和控制協定，使他們能夠有效地生成和探測這兩種類型的糾纏。

他們的處理器包括超導電路，用于設計人造原子。人造原子被用作量子比特，可以使用微波信号高精度地控制和讀取。

用于該實驗的裝置包含16個量子比特，這些量子比特排列在二維網格中。研究人員仔細調整了處理器，使所有16個量子比特都具有相同的轉換頻率。然後，他們同時對所有量子比特施加了一個額外的微波驅動器。

如果這個微波驅動器的頻率與量子比特相同，它就會産生表現出體積定律糾纏的量子态。然而，随着微波頻率的增加或減少，量子比特表現出較少的體積律糾纏，最終越過糾纏态，這些糾纏态越來越多地遵循面積律縮放。

謹慎控制

“我們的實驗是超導量子處理器能力的一次巡回演出。在一項實驗中，我們既将處理器作為模拟模拟裝置運作，使我們能夠有效地準備具有不同糾纏結構的狀态，又作為數字計算裝置，測量随後的糾纏縮放，“Rosen說。

為了實作這種控制，該團隊投入了多年的工作來仔細建構圍繞量子處理器的基礎設施。

通過證明從體積定律到面積定律糾纏的交叉，研究人員通過實驗證明了理論研究的預測。更重要的是，這種方法可用于确定通用量子處理器中的糾纏是面積律還是體積律。

“麻省理工學院的實驗強調了使用超導量子比特的二維量子模拟中面積定律和體積定律糾纏之間的差別。這很好地補充了我們在 2023 年發表在《自然》雜志上的平行出版物中關于捕獲離子的糾纏哈密頓斷層掃描的工作，“因斯布魯克大學理論實體學教授 Peter Zoller 說，他沒有參與這項工作。

“量化大型量子系統中的糾纏對于經典計算機來說是一項具有挑戰性的任務，但量子模拟可以提供幫助的一個很好的例子，”谷歌的Pedram Roushan說，他也沒有參與這項研究。

“使用超導量子比特的二維陣列，Karamlou及其同僚能夠測量各種大小的各種子系統的糾纏熵。他們測量了體積定律和面積定律對熵的貢獻，揭示了系統量子态能量被調整時的交叉行為。它有力地展示了量子模拟器可以提供的獨特見解。

将來，科學家們可以利用這種技術來研究複雜量子系統的熱力學行為，這太複雜了，無法使用目前的分析方法進行研究，甚至在世界上最強大的超級計算機上也無法模拟。

“我們在這項工作中所做的實驗可用于表征或基準測試更大規模的量子系統，我們還可以更多地了解這些多體系統中糾纏的本質，”Karamlou說。

更多資訊：Amir Karamlou，《探測二維硬核玻色-哈伯德晶格中的糾纏》，《自然》（2024）。DOI： 10.1038/s41586-024-07325-z.www.nature.com/articles/s41586-024-07325-z

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