清华大学量子信息中心孙麓岩副教授超导量子计算研究组与福州大学郑仕标教授合作，在超导电路中演示了制备任意光子数态（福克态）叠加态的新方法。该研究论文《在超导电路中准经典态到任意福克态叠加态的转化》（Converting quasiclassical states into arbitrary Fock state superpositions in a superconducting circuit）近日发表在《物理评论快报》上（Phys.Rev.Lett.118, 223604, 2017）。

图1：（a）实验装置图。超导量子比特位于两个超导铝腔中间，图中显示了铝腔的一半。（b）显微镜下的超导量子比特。（c）扫描电子显微镜下的约瑟夫森结。

福克态及其叠加态具有非常奇特的量子特性，是验证量子理论的重要载体，同时其在量子精确测量、量子反馈操作、量子纠错以及通用量子计算中都发挥重要作用。因此，这些量子态的制备和操控是量子物理和量子信息领域中非常重要的研究课题。孙麓岩研究组根据郑仕标教授提出的理论方案，利用超导量子比特与微波光场之间的强色散相互作用对光场各个福克态成分的几率幅进行操控，将其从一个经典相干态转化成所期待的量子叠加态。

图2： 截断相位态（Truncated phase state）的制备。（a）左侧是理想的Wigner函数，右侧是实验测量出的Wigner函数，其保真度达到97%。（b）根据所测Wigner函数重构出的密度矩阵。这种量子态在量子随机行走方面有重要应用。

基于约瑟夫森结的超导量子比特，在可操控性和可扩展性等方面都具有很大的优势，是目前国际上公认的最有希望实现量子计算的几个物理系统之一。此前，美国加州大学圣塔芭芭拉分校的超导量子计算研究组通过对量子比特频率的多次反复调节和一系列幺正演化步骤，演示了福克态叠加态的制备。清华大学量子信息中心所演示的实验方案不需要调节量子比特的频率，并且在幺正演化过程中只需要一个脉冲，因此该方法具有很强的抗噪能力，所制备态的保真度达到96%以上。该研究工作结果可望在量子精确测量、量子随机行走和通用量子计算等量子信息领域发挥重要作用。

图3：压缩态的制备。所制备压缩态的保真度为96%。压缩态在高精度测量中有重要应用。

论文第一作者为量子信息中心的博士生王韦婷，共同通讯作者为福州大学的郑仕标教授、清华大学量子信息中心的段路明教授和孙麓岩副教授。其他作者包括量子信息中心的博士研究生胡玲，徐源，刘可，马雨玮，副研究员宋祎璞。此项研究工作得到国家重点基础研究发展计划和国家自然科学基金支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.223604