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量子糾纏是量子力學中最神秘也是最基礎的性質之一，同時也是量子信息處理的核心資源，是量子計算加速效應的根本來源之一。多年以來，實現大規模的多量子比特糾纏一直是各國科學家奮力追求的目標。自1998年人們首次利用核磁共振系統實現3比特GHZ態的制備開始，真多體糾纏態的制備成為包括光子、離子阱、NV色心、中性原子及超導量子比特等各種物理系統規模化擴展的重要表征手段。其中，超導量子比特具有規模化拓展的優勢，在近年來發展迅速。我國科學家在超導量子比特多體糾纏制備方面取得了一系列重要成果，自2017年起先后完成了10比特、12比特、18比特的真糾纏態制備，不斷刷新超導量子計算領域的糾纏比特數目紀錄。

然而，更大規模的真糾纏態制備要求高連通性的量子系統、高保真的多比特量子門操作、以及高效準確的量子態保真度表征手段。高連通性保證了大規模量子態生成的可能性，避免了因缺陷和連通性不足限制量子態規模；通過高保真量子門才能夠將量子比特連接起來形成高保真的多體量子糾纏態；而高效的量子態表征是克服隨比特數指數級增長的量子態規模復雜度、進行量子態保真度準確估計的重要保證。這些要求對量子系統的性能、操控能力以及驗證手段提出了很高的要求，使此前真糾纏比特的規模停留在約20個量子比特的水平。

圖 1 量子真糾纏態比特數目的發展歷史。

研究團隊在前期構建的“祖沖之二號”超導量子計算原型機的基礎上，進一步將并行多比特量子門的保真度提高到99.05%、讀取精度提高到95.09%，并結合研究團隊所提出的大規模量子態保真度驗證判定方案，成功實現了51比特簇態制備和驗證。最終51比特一維簇態保真度達到0.637±0.030，超過0.5糾纏判定閾值13個標準差。這一結果將各個量子系統中真糾纏比特數目的紀錄由原先的24個大幅突破至51個，充分展示了超導量子計算體系優異的可擴展性。在此基礎上，研究團隊通過結合基于測量的變分量子本征求解器，開展了對于小規模的擾動平面碼的本征能量的求解，首次實現了基于測量的變分量子算法，為基于測量的量子計算方案走向實用奠定了基礎。

本研究工作得到了科技部、安徽省、上海市、自然科學基金委和中科院等的資助。

圖2 利用“祖沖之二號”完成的51比特一維簇態制備的線路及量子態保真度結果。

2013年7月17日，習近平總書記視察中國科學院時提出“四個率先”目標要求。習近平總書記高度關心量子科技發展，提出“要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局，把握大趨勢，下好先手棋。”十年來，中國科學技術大學科研團隊認真落實總書記對量子科技的指示要求，潛心研究、刻苦攻關，取得了一系列具有國際影響力的重大原創成果。未來，中國科學技術大學將積極發揮國家戰略科技力量主力軍的作用，聚焦量子通信、量子計算、量子精密測量等世界科技前沿方面，突破重大科學問題和關鍵核心技術，努力搶占科技制高點，為實現高水平科技自立自強貢獻力量。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06195-1

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