骄傲！安阳的学生在国际顶级期刊《自然》上发表了他们的研究结果

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原标题:骄傲！华县学生在国际顶级期刊《自然》上发表了研究结果

张帅宁，男，1992年出生，2010年毕业于华县第一中学，2010年7月考入北京大学物理学院，2014年被派往清华大学跨学科信息研究所攻读研究生学位(直接博士生)。曾获北京大学优秀奖(两次)和新鸿基地产郭基金励志奖学金。他目前在清华大学跨学科信息研究所量子信息中心副教授Kihwan Kim攻读博士学位。

清华大学跨学科信息研究所金副教授的研究团队最近成功地演示了离子阱系统中两比特以上的全局纠缠逻辑门。这项成果于7月24日在线发表在国际顶级期刊《自然》上，名为《仲裁比特上的全球纠缠门》。本文的交流系列由博士生陆耀和副教授金组成，博士生陆耀、张帅宁和为第一批。近年来，与量子计算和量子模拟相关的量子技术的发展取得了许多重要进展。量子系统控制的规模和精度日益提高，这使得量子计算机的实现不再遥不可及。这也是一个寻找和填补实用量子计算方法和技术不足的好时机。原则上，在量子电路模型下，任何普通的量子计算任务都可以分解成一系列单量子比特门和双量子比特纠缠门的组合。然而，通过这种分解获得的量子电路通常不是最有效的。随着研究问题规模的增大，一些算法或模拟所需要的量子门的数量，尤其是双量子比特的纠缠门，将会增加几个数量级。因此，建立一种更有效的多量子比特纠缠操作方法将促进实际量子计算的实现。在理论研究中，许多研究者指出了多量子比特纠缠门，特别是全局纠缠门的实际意义，但这些方案缺乏实验验证。

图1中的全局纠缠门可以有效地简化量子电路。图中的例子是作用在选定的四个量子位上的全局纠缠门。为了制备四个量子比特的最大纠缠态，传统的量子电路通常至少需要三步双量子比特纠缠门。使用全局纠缠门可以一步实现所有量子比特的最大纠缠。

在本研究中，金在实验系统中演示并测试了一个基于离子阱系统的全局纠缠门实现方案。作为最有潜力的大规模通用量子计算系统之一，离子阱系统具有最长的量子比特相干时间，可以进行高保真量子态测量和量子门操作。通过在单个势阱中捕获多个离子，量子比特的数量可以扩展到几十个到几百个，最近已经实现了基于此的小规模可编程量子计算机。离子阱量子计算系统利用激光驱动的量子比特和离子链的联合振动模式的耦合来实现比特之间的纠缠，具有自然全连接的特性(即任意两个量子比特之间存在可控的相互作用)。因此，任意比特之间的量子纠缠只能通过单次发射来实现。全连接的这一优势也使得实现全球纠缠门实验成为可能。本研究提出的方案的关键是优化和调制激光脉冲的强度和相位，以均匀地驱动所有量子位之间的相互作用。

图2离子阱量子计算系统的核心组件

该图显示了真空空腔中的叶片陷阱

金的研究小组成功地完成了一个具有四个量子位的小规模量子计算系统。基于这一系统，实验上演示了多达四个量子位的全局纠缠门。为了对全球纠缠操作进行基准测试，该团队使用四比特全球纠缠门一步制备了四个量子比特的最大纠缠态，保真度测量证明最终的量子纠缠远远超过了经典边界。与离子阱系统中传统的双比特纠缠门相比，全局纠缠门具有相同的工作时间，这意味着使用全局纠缠门不仅可以减小量子电路的深度，而且可以真正缩短电路的运行时间。全球纠缠门实现方案的建立和良好的实验结果表明，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。左上角是基于离子阱的通用量子计算系统的示意图。左下图显示了实验中制备的四个量子位的最大纠缠态。

本研究由陆耀、张帅宁和，博士生、沈，物理系本科生完成。跨学科研究所助理研究员张景宁为本研究提供了理论支持。这项工作得到了国家重点研发计划(项目编号2016YFA0301900和2016YFA0301901)和国家自然科学基金(项目编号11574002和11504197)的支持。

资料来源:华县电视台手机站华县雨势通