清华大学姚班2016级本科生王远皓与中国工程物理研究院研究生院李颖副研究员、清华大学交叉信息研究院量子信息中心尹璋琦助理研究员及加拿大圭尔夫大学的曾蓓教授合作，远程登录IBM Q量子云平台，验证了其制备量子纠缠态的能力，并将平台上所有16个物理量子比特制备到量子纠缠态。该研究成果论文《16量子比特IBM通用量子计算机能实现完全的量子纠缠》（16-qubit IBM universal quantum computer can be fully entangled）近日发表在《npj Quantum Information》上 (npj Quantum Information 4, 46 (2018))。

2016年5月，IBM宣布了5个量子比特量子云平台上线，提供给全世界的研究人员免费访问。一年后，IBM的16量子比特的量子云平台上线。对于近期出现的量子计算云平台，人们迫切想要了解其计算能力。量子纠缠是量子物理独有的效应，也是量子计算实现加速的重要条件。如果一台量子计算机只能制备纠缠程度很低的量子态，它能实现的计算也很有限，可以用经典计算机有效模拟。因此，除门保真度（gate fidelity）之外，制备量子纠缠态的能力也是量子计算的一种重要评价指标。

为了测试IBM Q上具有16个物理比特的芯片ibmqx5制备量子纠缠态的能力，王远皓等人进行了一系列的实验以尝试在芯片上制备16比特的图态（graph state）。其有很好的特性，局域的测量只会影响图上与之相连的最近邻的量子比特跟它的纠缠。图态对局域的噪声和测量都是比较强壮的，有望做出较大的量子纠缠态。如果实际得到态是一个分离态（biseparable state），那么将存在一个物理比特集合上的分割，使得得到的量子态可以写成分割两侧直积态的混合。而如果存在这样的分割，必然存在一个分割两侧的不纠缠的子系统。

图一：对16个物理比特一个可能的分割

因此，王远皓等人对实验得到的16量子比特图态中16个4比特的子系统进行了态层析（quantum tomography），并利用部分转置判据（PPT criterion）证明了它们是纠缠的。这意味着所制备的图态不会从这个4比特的子系统中分开。遍历所有可能，排除掉所有的可分态情况之后可以推断，该芯片上的量子态是一个使用了所有物理比特的纠缠态。尽管该纠缠态与目标图态之间的保真度（fidelity）不高，这项工作展示了IBM设备上产生真正量子效应的能力。

论文预印本arXiv:1801.03782今年1月公布后，产生了很大的反响，已被其他研究组引用12次。IBM量子云计算团队在其网站上撰文，推荐其为利用量子云平台完成的5篇优秀论文之一。

图二：各子系统的负度（negativity）：如果任一子系统不是纠缠的，其负度是0

《npj Quantum Information》是《自然》出版社旗下刊物，2017年度影响因子为9.206。该论文第一作者王远皓，通讯作者为尹璋琦。研究工作得到了中国自然科学基金委、NSAF联合基金和加拿大NSERC及CIFAR的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41534-018-0095-x