麻省理工学院的科学家调整了量子比特数组中的纠缠结构

纠缠是量子物体（例如原子尺度上的粒子）之间的一种关联形式。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。

由于纠缠是量子系统工作方式的核心，因此更好地理解它可以让科学家更深入地了解信息如何在此类系统中有效存储和处理。

量子比特或量子比特是量子计算机的构建块。然而，在多量子比特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。还有各种纠缠状态，区分它们可能具有挑战性。

现在，麻省理工学院的研究人员已经展示了一种技术，可以在一系列表现出特定类型行为的超导量子比特之间有效地产生纠缠。

在过去的几年里，工程量子系统（EQuS）小组的研究人员开发了使用微波技术的技术来精确控制由超导电路组成的量子处理器。除了这些控制技术之外，这项工作中引入的方法使处理器能够有效地生成高度纠缠的状态，并将这些状态从一种纠缠类型转移到另一种纠缠类型之间，包括在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。

“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进一步理解物理学的工具。虽然我们在这个实验中所做的一切都是在经典计算机上仍然可以模拟的规模上进行的，但我们有一个很好的路线图，可以将这种技术和方法扩展到经典计算之外，“Amir H. Karamlou ‘ 18，MEng ’18，PhD ’23说，该论文的主要作者。

资深作者是威廉·奥利弗（William D. Oliver），亨利·埃利斯·沃伦（Henry Ellis Warren）电气工程和计算机科学以及物理学教授，量子工程中心主任，EQuS小组组长，电子研究实验室副主任。Karamlou 和 Oliver 与麻省理工学院电气工程系、计算机科学系和物理系、麻省理工学院林肯实验室、韦尔斯利学院和马里兰大学的研究科学家 Jeff Grover、博士后 Ilan Rosen 以及其他人一起加入。这项研究今天发表在 《自然》杂志上。

评估纠缠

在由许多互连的量子比特组成的大型量子系统中，可以将纠缠视为给定的量子比特子系统与较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归类为面积定律或体积定律，这取决于这种共享信息如何与子系统的几何形状成比例。在体积定律纠缠中，量子比特子系统与系统其余部分之间的纠缠量与子系统的总大小成比例增长。

另一方面，面积律纠缠取决于量子比特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，纠缠量只会沿着子系统和较大系统之间的边界增长。

从理论上讲，体积定律纠缠的形成与量子计算如此强大的原因有关。

“虽然还没有完全抽象出纠缠在量子算法中的作用，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，”奥利弗说。

然而，体积定律纠缠也比面积定律纠缠更复杂，并且使用经典计算机进行模拟的规模几乎令人望而却步。

“随着量子系统的复杂性增加，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具有 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，“Karamlou 说。

研究人员创建了一个量子处理器和控制协议，使他们能够有效地生成和探测这两种类型的纠缠。

他们的处理器包括超导电路，用于设计人造原子。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读取。

用于该实验的设备包含16个量子比特，排列成二维网格。研究人员仔细调整了处理器，使所有16个量子比特都具有相同的转换频率。然后，他们同时对所有量子比特施加了一个额外的微波驱动器。

如果这个微波驱动器的频率与量子比特相同，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，量子比特表现出较少的体积律纠缠，最终越过纠缠态，这些纠缠态越来越多地遵循面积律缩放。

谨慎控制

“我们的实验是超导量子处理器能力的一次巡回演出。在一个实验中，我们既将处理器作为模拟模拟设备运行，使我们能够有效地准备具有不同纠缠结构的状态，又作为数字计算设备，测量随后的纠缠缩放，“Rosen说。

为了实现这种控制，该团队投入了多年的工作来仔细构建围绕量子处理器的基础设施。

通过证明从体积定律到面积定律纠缠的交叉，研究人员通过实验证实了理论研究的预测。更重要的是，这种方法可用于确定通用量子处理器中的纠缠是面积律还是体积律。

“麻省理工学院的实验强调了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之间的区别。这很好地补充了我们在 2023 年发表在 《自然》 杂志上的平行出版物中关于捕获离子的纠缠哈密顿断层扫描的工作，“因斯布鲁克大学理论物理学教授 Peter Zoller 说，他没有参与这项工作。

“量化大型量子系统中的纠缠对于经典计算机来说是一项具有挑战性的任务，但量子模拟可以提供帮助的一个很好的例子，”谷歌的Pedram Roushan说，他也没有参与这项研究。“使用超导量子比特的二维阵列，Karamlou及其同事能够测量各种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整时的交叉行为。它有力地展示了量子模拟器可以提供的独特见解。

将来，科学家们可以利用这种技术来研究复杂量子系统的热力学行为，这太复杂了，无法使用当前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无法模拟。

“我们在这项工作中所做的实验可用于表征或基准测试更大规模的量子系统，我们还可以更多地了解这些多体系统中纠缠的本质，”Karamlou说。

该研究的其他合著者是Sarah E. Muschinske，Cora N. Barrett，Agustin Di Paolo，Leon Ding，Patrick M. Harrington，Max Hays，Rabindra Das，David K. Kim，Bethany M. Niedzielski，Meghan Schuldt，Kyle Serniak，Mollie E. Schwartz，Jonilyn L. Yoder，Simon Gustavsson和Yariv Yanay。

这项研究部分由美国能源部、美国国防高级研究计划局、美国陆军研究办公室、国家科学基金会、STC集成量子材料中心、韦尔斯利学院塞缪尔和希尔达莱维特奖学金、美国宇航局和橡树岭科学与教育研究所资助。