這一進展爲描述量子計算所需的基本資源提供了一種方法。

糾纏是量子物體之間的一種關聯形式，比如原子尺度上的粒子。這種獨特的量子現象不能用經典物理定律來解釋，但它是解釋量子系統宏觀行爲的特性之一。

因爲糾纏是量子系統工作方式的核心，更好地理解它可以讓科學家更深入地了解信息是如何在這樣的系統中有效地存儲和處理的。

量子位或量子比特是量子計算機的組成部分。然而，在多量子位系統中制造特定的糾纏態是極其困難的，更不用說研究它們了。還有各種各樣的糾纏態，要把它們區分開來也是很有挑戰性的。

現在，麻省理工學院的研究人員已經展示了一種技術，可以有效地在一系列超導量子比特之間産生糾纏，這些量子比特表現出特定類型的行爲。

在過去的幾年裏，工程量子系統（EQuS）小組的研究人員已經開發出利用微波技術精確控制超導電路組成的量子處理器的技術。除了這些控制技術之外，本工作中引入的方法使處理器能夠有效地産生高度糾纏態，並將這些糾纏態從一種糾纏態轉移到另一種糾纏態 —— 包括更有可能支持量子加速的類型和不支持量子加速的類型之間的轉換。

“在這裏，我們正在證明，我們可以利用新興的量子處理器作爲一種工具來進一步理解物理。雖然我們在這個實驗中所做的一切，都是在一個仍然可以在經典計算機上模擬的規模上進行的，但我們有一個很好的路線圖來將這項技術和方法擴展到經典計算之外，”該論文的主要作者阿米爾·卡拉姆盧（Amir H.Karamlou）博士。

本文的資深作者是亨利·埃利斯·沃倫（Henry Ellis Warren）電氣工程、計算機科學和物理學教授、量子工程中心主任、EQS小組負責人、電子研究實驗室副主任威廉·D·奧利弗（William D.Oliver）。卡拉姆盧和奧利弗與研究科學家傑夫·格羅弗、博士後伊蘭·羅森以及麻省理工學院電氣工程、計算機科學和物理系、麻省理工學院林肯實驗室、韋爾斯利學院和馬裏蘭大學的其他人一起工作。這項研究最近發表在《自然》雜志上。

評估糾纏

在由許多相互連接的量子位組成的大型量子系統中，可以將糾纏視爲給定量子位子系統與更大系統的其余部分之間共享的量子信息量。

量子系統內的糾纏可以被分類爲面積定律或體積定律，這是基于這種共享信息如何與子系統的幾何形狀進行縮放。在體積定律糾纏中，量子位子系統與系統其余部分之間的糾纏量與子系統的總尺寸成比例地增長。

另一方面，面積定律糾纏取決于量子位子系統與更大系統之間存在多少共享連接。隨著子系統的擴展，糾纏量只沿著子系統與更大系統之間的邊界增長。

理論上，體積定律糾纏的形成與量子計算如此強大的原因有關。

奧利弗說：“雖然我們還沒有完全抽象出糾纏在量子算法中所扮演的角色，但我們確實知道，産生體積定律糾纏是實現量子優勢的關鍵因素。”

然而，體積律糾纏也比面積律糾纏更複雜，並且實際上禁止在經典計算機上進行大規模模擬。

“隨著量子系統複雜性的增加，用傳統計算機模擬它變得越來越困難。例如，如果我試圖完全跟蹤一個有80個量子比特的系統，那麽我需要存儲的信息比我們在整個人類曆史上存儲的信息還要多，”卡拉姆盧說。

研究人員創造了一個量子處理器和控制協議，使他們能夠有效地産生和探測這兩種類型的糾纏。

他們的處理器包括超導電路，用于制造人造原子。利用人造原子作爲量子比特，利用微波信號對其進行高精度控制和讀出。

用于該實驗的設備包含16個量子位，排列在二維網格中。研究人員仔細調整了處理器，使所有16個量子位都具有相同的轉換頻率。然後，他們同時對所有量子位施加了額外的微波驅動器。

如果這個微波驅動器的頻率與量子位相同，它就會産生表現出體積定律糾纏的量子態。然而，隨著微波頻率的增加或減少，量子位表現出更少的體積律糾纏，最終跨越到越來越遵循面積律縮放的糾纏態。

小心控制

“我們的實驗是超導量子處理器能力的傑作。在一個實驗中，我們將處理器作爲模擬模擬設備操作，使我們能夠有效地准備具有不同糾纏結構的狀態，同時作爲數字計算設備，需要測量隨後的糾纏縮放，”伊蘭·羅森說。

爲了實現這種控制，該團隊花了數年時間精心構建量子處理器周圍的基礎設施。

通過演示從體積定律到面積定律的交叉糾纏，研究人員通過實驗證實了理論研究的預測。更重要的是，該方法可用于確定通用量子處理器中的糾纏，是面積定律還是體積定律。

“麻省理工學院的實驗強調了在使用超導量子比特的二維量子模擬中面積定律和體積定律糾纏的區別。這完美地補充了我們在2023年《自然》雜志上發表的一篇關于捕獲離子的糾纏哈密頓斷層掃描的並行論文，”因斯布魯克大學理論物理學教授彼得·佐勒說，他沒有參與這項工作。

“對經典計算機來說，量化大量子系統中的糾纏是一項具有挑戰性的任務，但這是量子模擬可以提供幫助的一個很好的例子，”谷歌的佩德拉姆·魯山（Pedram Roushan）說，他也沒有參與這項研究。利用二維超導量子比特陣列，卡拉姆盧和同事們能夠測量不同大小的各種子系統的糾纏熵。他們測量了體積定律和面積定律對熵的貢獻，揭示了系統量子態能量被調諧時的交叉行爲。它有力地展示了量子模擬器可以提供的獨特見解。”

在未來，科學家們可以利用這項技術來研究複雜量子系統的熱力學行爲，這太複雜了，無法用現有的分析方法進行研究，甚至在世界上最強大的超級計算機上也難以模擬。

“我們在這項工作中所做的實驗，可以用來表征或測試更大規模的量子系統，我們也可以了解更多關于這些多體系統中糾纏的本質，”卡拉姆盧說。

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