超導(dǎo)量子計(jì)算平臺(tái)可集成多個(gè)量子比特，相干時(shí)間長、操控和讀出精度高，是實(shí)用化、可擴(kuò)展量子計(jì)算主要技術(shù)路線之一。衡量量子計(jì)算平臺(tái)性能的一個(gè)標(biāo)志性成果是多量子比特糾纏態(tài)的制備，特別是Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備，國際競爭尤為激烈。近期，由浙江大學(xué)王浩華課題組與中科院物理研究所范桁、鄭東寧課題組所組成的超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)，在長期合作的基礎(chǔ)上，最近又與中科院自動(dòng)化所、北京計(jì)算科學(xué)研究中心等國內(nèi)單位密切合作，在超導(dǎo)多量子比特糾纏態(tài)的制備方面取得重要進(jìn)展。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心范桁研究員、鄭東寧研究員、許凱副研究員、博士生李賀康（現(xiàn)浙江大學(xué)博士后）、張煜然博士（現(xiàn)北京計(jì)算科學(xué)研究中心博士后），與浙江大學(xué)博士生宋超、王浩華教授、王大偉教授、朱詩堯院士，以及中科院自動(dòng)化所蒿杰研究員、馮卉助理研究員等（全部作者及單位信息參見論文）通力合作，經(jīng)過近兩年時(shí)間的器件設(shè)計(jì)與制備、實(shí)驗(yàn)測控運(yùn)行及數(shù)據(jù)處理，成功將全局量子糾纏的量子比特?cái)?shù)目推進(jìn)到20個(gè)，特別是實(shí)現(xiàn)了18個(gè)量子比特GHZ態(tài)制備，其保真度超過GHZ多體真糾纏的判據(jù)閾值，并首次展示了20量子比特5組分薛定諤貓態(tài)。這一成果將固態(tài)系統(tǒng)GHZ態(tài)糾纏量子比特?cái)?shù)世界紀(jì)錄從10個(gè)推進(jìn)到18個(gè)，薛定諤貓態(tài)比特?cái)?shù)推進(jìn)到20個(gè)，成果已于8月9日在國際學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)》發(fā)表（Science 365, 574-577 (2019)）。

同期《科學(xué)》上也背靠背發(fā)表了哈佛大學(xué)Mikhail Lukin組20量子比特薛定諤貓態(tài)的工作(Science 365, 570-574 (2019))，他們利用里德堡原子制備了薛定諤貓態(tài)并證明其GHZ態(tài)的糾纏數(shù)目可以達(dá)到20量子比特。另外，美國IBM超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)的預(yù)印本（arXiv:1905.05720）同樣報(bào)道了其20超導(dǎo)量子比特糾纏態(tài)制備的實(shí)驗(yàn)工作，數(shù)據(jù)顯示18比特GHZ糾纏態(tài)保真度超過了多體真糾纏的閾值判據(jù)（0.5），與浙江大學(xué)與物理所團(tuán)隊(duì)所報(bào)道的保真度幾乎持平。三篇文章報(bào)道的糾纏態(tài)比特?cái)?shù)目基本處于同樣水平，也幾乎同時(shí)投送到預(yù)印本庫(浙大物理所團(tuán)隊(duì)5月1日提交：arXiv:1905.00320; IBM團(tuán)隊(duì)5月14日提交：arXiv:1905.05720; 哈佛團(tuán)隊(duì)5月14日同時(shí)提交：arXiv:1905.05721)，反映了以糾纏態(tài)制備為代表的多量子比特相干操控是目前主要的努力目標(biāo)之一。

超導(dǎo)量子比特薛定諤貓態(tài)和GHZ態(tài)

薛定諤貓（態(tài)）來源于量子力學(xué)奠基人之一薛定諤所提出的一個(gè)著名假想實(shí)驗(yàn)，設(shè)想微觀粒子態(tài), |0〉,|1〉，和宏觀生命狀態(tài)貓的死和活相關(guān)聯(lián)，形成相干疊加的量子態(tài)形式，|0〉|貓活〉 |1〉|貓死〉，則該只貓既不是死也不是活；同時(shí)，薛定諤貓態(tài)也和愛因斯坦-波多爾斯基-羅森（EPR）對的量子糾纏態(tài)有相似的形式，|00〉 |11〉，只不過愛因斯坦-波多爾斯基-羅森對一般指空間分離的兩個(gè)微觀粒子，1990年提出的GHZ態(tài)是薛定諤貓態(tài)和EPR對的直接推廣, |000〉 |111〉, 但是指出了全局糾纏的概念，因?yàn)樵诓豢紤]第三個(gè)粒子時(shí)，GHZ態(tài)中任意兩個(gè)粒子間沒有量子糾纏，只有經(jīng)典關(guān)聯(lián)，所以三個(gè)粒子是全局糾纏在一起的。由于這些概念相互關(guān)聯(lián)，而量子態(tài)的具體形式又基本相同，現(xiàn)在把多粒子糾纏態(tài)|00…0〉 |11…1〉稱之為多比特GHZ態(tài)，或者兩組分的薛定諤貓態(tài)，同時(shí)把相似的多組分疊加態(tài)統(tǒng)稱為薛定諤貓態(tài)，文章中采取這樣的約定，圖一展示了薛定諤貓態(tài)和GHZ態(tài)。

薛定諤貓態(tài)和GHZ態(tài)制備的意義

實(shí)驗(yàn)方案、技術(shù)和數(shù)據(jù)

分析與討論

有噪音中小規(guī)模量子計(jì)算暫時(shí)還沒有達(dá)到能超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的水準(zhǔn)，但是有噪音20量子比特的動(dòng)力學(xué)已經(jīng)很難用經(jīng)典計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，比特信息存儲(chǔ)已達(dá)到現(xiàn)有計(jì)算機(jī)上限，而且會(huì)隨量子比特?cái)?shù)指數(shù)增長。也就是現(xiàn)階段，經(jīng)典計(jì)算機(jī)已經(jīng)不能判斷量子計(jì)算結(jié)果，是否可以表述為經(jīng)典和量子計(jì)算能力已經(jīng)互不可比呢？

此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測試在浙江大學(xué)完成，器件設(shè)計(jì)制備、數(shù)據(jù)分析等由各單位協(xié)作完成，此工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(No. 2017YFA0304300，No. 2016YFA0300600), 自然科學(xué)基金(No. 11725419，No. 11434008)及中科院先導(dǎo)專項(xiàng)(No. XDB28000000)等基金的支持。

本文同等貢獻(xiàn)一作為：宋超（浙江大學(xué)），許凱（中科院物理所），李賀康（中科院物理所），通訊作者為：王浩華（浙江大學(xué)）、范桁（中科院物理所）、鄭東寧（中科院物理所）。

參考文獻(xiàn)：Chao Song?, Kai Xu?, Hekang Li?, Yu-Ran Zhang, Xu Zhang, Wuxin Liu, Qiujiang Guo, Zhen Wang, Wenhui Ren, Jie Hao, Hui Feng, Heng Fan*, Dongning Zheng*, Da-Wei Wang, H. Wang*, Shi-Yao Zhu,Generation of multi-component atomic Schrodinger cat states of up to 20 qubits, Science 365, 574-577 (2019).