麻省理工学院的科学家用新的纠缠控制重新定义量子计算

这一进展为描述量子计算所需的基本资源提供了一种方法。

纠缠是量子物体之间的一种关联形式，比如原子尺度上的粒子。这种独特的量子现象不能用经典物理定律来解释，但它是解释量子系统宏观行为的特性之一。

因为纠缠是量子系统工作方式的核心，更好地理解它可以让科学家更深入地了解信息是如何在这样的系统中有效地存储和处理的。

量子位或量子比特是量子计算机的组成部分。然而，在多量子位系统中制造特定的纠缠态是极其困难的，更不用说研究它们了。还有各种各样的纠缠态，要把它们区分开来也是很有挑战性的。

现在，麻省理工学院的研究人员已经展示了一种技术，可以有效地在一系列超导量子比特之间产生纠缠，这些量子比特表现出特定类型的行为。

在过去的几年里，工程量子系统（EQuS）小组的研究人员已经开发出利用微波技术精确控制超导电路组成的量子处理器的技术。除了这些控制技术之外，本工作中引入的方法使处理器能够有效地产生高度纠缠态，并将这些纠缠态从一种纠缠态转移到另一种纠缠态 —— 包括更有可能支持量子加速的类型和不支持量子加速的类型之间的转换。

“在这里，我们正在证明，我们可以利用新兴的量子处理器作为一种工具来进一步理解物理。虽然我们在这个实验中所做的一切，都是在一个仍然可以在经典计算机上模拟的规模上进行的，但我们有一个很好的路线图来将这项技术和方法扩展到经典计算之外，”该论文的主要作者阿米尔·卡拉姆卢（Amir H.Karamlou）博士。

本文的资深作者是亨利·埃利斯·沃伦（Henry Ellis Warren）电气工程、计算机科学和物理学教授、量子工程中心主任、EQS小组负责人、电子研究实验室副主任威廉·D·奥利弗（William D.Oliver）。卡拉姆卢和奥利弗与研究科学家杰夫·格罗弗、博士后伊兰·罗森以及麻省理工学院电气工程、计算机科学和物理系、麻省理工学院林肯实验室、韦尔斯利学院和马里兰大学的其他人一起工作。这项研究最近发表在《自然》杂志上。

评估纠缠

在由许多相互连接的量子位组成的大型量子系统中，可以将纠缠视为给定量子位子系统与更大系统的其余部分之间共享的量子信息量。

量子系统内的纠缠可以被分类为面积定律或体积定律，这是基于这种共享信息如何与子系统的几何形状进行缩放。在体积定律纠缠中，量子位子系统与系统其余部分之间的纠缠量与子系统的总尺寸成比例地增长。

另一方面，面积定律纠缠取决于量子位子系统与更大系统之间存在多少共享连接。随着子系统的扩展，纠缠量只沿着子系统与更大系统之间的边界增长。

理论上，体积定律纠缠的形成与量子计算如此强大的原因有关。

奥利弗说：“虽然我们还没有完全抽象出纠缠在量子算法中所扮演的角色，但我们确实知道，产生体积定律纠缠是实现量子优势的关键因素。”

然而，体积律纠缠也比面积律纠缠更复杂，并且实际上禁止在经典计算机上进行大规模模拟。

“随着量子系统复杂性的增加，用传统计算机模拟它变得越来越困难。例如，如果我试图完全跟踪一个有80个量子比特的系统，那么我需要存储的信息比我们在整个人类历史上存储的信息还要多，”卡拉姆卢说。

研究人员创造了一个量子处理器和控制协议，使他们能够有效地产生和探测这两种类型的纠缠。

他们的处理器包括超导电路，用于制造人造原子。利用人造原子作为量子比特，利用微波信号对其进行高精度控制和读出。

用于该实验的设备包含16个量子位，排列在二维网格中。研究人员仔细调整了处理器，使所有16个量子位都具有相同的转换频率。然后，他们同时对所有量子位施加了额外的微波驱动器。

如果这个微波驱动器的频率与量子位相同，它就会产生表现出体积定律纠缠的量子态。然而，随着微波频率的增加或减少，量子位表现出更少的体积律纠缠，最终跨越到越来越遵循面积律缩放的纠缠态。

小心控制

“我们的实验是超导量子处理器能力的杰作。在一个实验中，我们将处理器作为模拟模拟设备操作，使我们能够有效地准备具有不同纠缠结构的状态，同时作为数字计算设备，需要测量随后的纠缠缩放，”伊兰·罗森说。

为了实现这种控制，该团队花了数年时间精心构建量子处理器周围的基础设施。

通过演示从体积定律到面积定律的交叉纠缠，研究人员通过实验证实了理论研究的预测。更重要的是，该方法可用于确定通用量子处理器中的纠缠，是面积定律还是体积定律。

“麻省理工学院的实验强调了在使用超导量子比特的二维量子模拟中面积定律和体积定律纠缠的区别。这完美地补充了我们在2023年《自然》杂志上发表的一篇关于捕获离子的纠缠哈密顿断层扫描的并行论文，”因斯布鲁克大学理论物理学教授彼得·佐勒说，他没有参与这项工作。

“对经典计算机来说，量化大量子系统中的纠缠是一项具有挑战性的任务，但这是量子模拟可以提供帮助的一个很好的例子，”谷歌的佩德拉姆·鲁山（Pedram Roushan）说，他也没有参与这项研究。利用二维超导量子比特阵列，卡拉姆卢和同事们能够测量不同大小的各种子系统的纠缠熵。他们测量了体积定律和面积定律对熵的贡献，揭示了系统量子态能量被调谐时的交叉行为。它有力地展示了量子模拟器可以提供的独特见解。”

在未来，科学家们可以利用这项技术来研究复杂量子系统的热力学行为，这太复杂了，无法用现有的分析方法进行研究，甚至在世界上最强大的超级计算机上也难以模拟。

“我们在这项工作中所做的实验，可以用来表征或测试更大规模的量子系统，我们也可以了解更多关于这些多体系统中纠缠的本质，”卡拉姆卢说。

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