清华大学交叉信息研究院金奇奂副教授研究组最近成功在离子阱系统中实验演示了超过两比特的全局纠缠逻辑门，该成果以《任意离子量子比特上的全局纠缠门》(Global entangling gates on arbitrary ion qubits)为题于7月24日在线发表于国际顶级期刊《自然》(Nature)。该文章的通讯作者为交叉信息研究院博士生路尧与金奇奂副教授，博士生路尧、张帅宁和张宽为共同第一作者。

      近年来，围绕量子计算与量子模拟的相关量子技术发展已取得诸多重要进展，对于量子系统控制的规模和精确度日益提升，使得量子计算机的实现不再遥不可及。这也正是寻找并填补实现实用性量子计算方法和技术缺失的良好时机。原则上，在量子线路模型下，任何通用量子计算任务都可以分解为一系列单量子比特门和双量子比特纠缠门的组合。然而这种分解所得到的量子线路往往并不是最高效的。某些算法或模拟所需要量子门，特别是双量子比特纠缠门的数量，会随着研究问题的规模增长呈指数量级的增加。因此，建立更高效的多量子比特纠缠操作的方法对于实现实用量子计算有促进作用。理论研究中，已有许多研究人员指出了多量子比特纠缠门，特别是其中的全局纠缠门的实用意义，但这些方案还缺乏实验验证。

图 1 全局纠缠门可以有效的对量子线路进行化简。图中示例为作用在选定四个量子比特上的全局纠缠门。为了制备四量子比特最大纠缠态，传统量子电路一般需要至少三步双量子比特纠缠门。使用全局纠缠门则仅需一步即可实现所有量子比特的最大纠缠。

      本研究中，金奇奂组在实验系统中对一种基于离子阱系统的全局纠缠门实现方案进行了演示与性能测试。离子阱系统作为实现大规模通用量子计算最具潜力的系统之一，具有最长的量子比特相干时间，能够执行高保真度的量子态测量与量子门操作。通过在单个势阱中囚禁多个离子，量子比特数可以扩展至数十至上百个，而基于此的小规模可编程量子计算机也在近日实现。离子阱量子计算系统利用激光驱动下量子比特与离子链联合振动模式的耦合实现比特间的纠缠，具有天然的全连接特性（即任意两个量子比特间都存在可控的相互作用）。因此任意比特间的量子纠缠仅需要单发操作(single shot)即可实现。这种全连接优势也使得全局纠缠门的实验实现成为可能。本研究所提出方案的关键在于优化与调制激光脉冲的强度和相位，以均匀地驱动所有量子比特间的相互作用。

图 2 离子阱量子计算系统的核心组成部分。图示为真空腔中的刀片阱。

      金奇奂研究组成功完成四量子比特的小规模量子计算系统，并基于该系统，在实验上演示了多达四量子比特的全局纠缠门。为了对全局纠缠操作进行基准测试，该团队利用四比特全局纠缠门一步制备了四量子比特的最大纠缠态，并通过保真度测量证明最终的量子纠缠远超过经典边界。与离子阱系统中传统的双比特纠缠门相比，该全局纠缠门有着与其基本相同的操作时长，意味着利用全局纠缠门不仅仅能够减小量子线路的深度，也能够真正缩短线路的运行时间。全局纠缠门的实现方案的建立和良好的实验测试结果表明，多量子比特纠缠门有望成为通用量子计算系统的重要组成部分。

图 3 全局纠缠门的实验实现。左上图为基于离子阱的通用量子计算系统示意图。左下图为实验中制备的四量子比特最大纠缠态。

      本研究由交叉信息研究院博士生路尧、张帅宁与张宽共同完成，博士生陈文涛、沈杨超与物理系本科生张家梁对本研究进行了协助，交叉信息研究院助理研究员张静宁为本项研究提供了理论支持。该工作得到了国家重点研发计划（项目编号2016YFA0301900、2016YFA0301901）、国家自然科学基金（项目编号11574002、11504197）的资助与支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1428-4