南方科技大學量子計算突破性進展

近日，南方科技大學（以下簡稱南科大）深圳量子科學與工程研究院超導量子計算團隊在分布式量子計算研究方面取得突破性進展。他們提出并實現了超低損耗的量子芯片互聯技術，將芯片間量子態傳輸的保真度提高到單芯片水平（99%），研究團隊實現了5個量子芯片的互聯，并展示了跨3個芯片的12比特最大糾纏態，奠定了大規模、可擴展分布式量子計算網絡的堅實基礎。

2月16日，相關研究成果于以《模塊化超導量子處理器的低損耗互連》（Low-loss interconnects for modular superconducting quantum processors）為題發表在國際學術期刊《自然—電子學》（Nature Electronics）上。

近年來，超導量子計算發展迅速，可操作量子比特數目有望在未來幾年擴展到數千個以上，并在此基礎上探索含噪中等規模量子器件（NISQ）的實際應用。然而，超導量子比特尺寸較大，且每個比特需要專用射頻控制線路，因此隨著比特數量的增加，在單芯片上集成更多比特變得越來越困難。分布式量子計算的方案，通過把多個量子芯片互聯的方式構建大規模量子處理器，可望突破單芯片集成的困境，但目前芯片間的高性能互聯是個技術瓶頸。

 在本研究中，研究團隊經過近2年的技術攻堅，實現了一系列技術創新：研發了超低損耗且易于鍵合連接的超導同軸線，并在量子芯片上集成了阻抗轉換器以降低量子芯片連接界面的損耗。通過這些技術創新，團隊實現了超高性能的超導量子芯片互聯，信道單光子品質因子達到8.1×105，較之前報道的結果提高了一個數量級，信道相干時間（~26.4us）達到單芯片上量子比特的水平。在此基礎上，團隊實現跨芯片量子態傳輸的保真度達到99%，該項指標國際領先，為超導量子處理器的大規模擴展奠定了基礎。

 利用該低損耗芯片互聯技術，研究團隊實現了5個量子芯片的互聯，其中每個芯片上集成4個量子比特，構成一個20比特的分布式量子處理器。基于該分布式量子處理器，研究團隊展示了跨芯片多比特糾纏態的制備，實現了跨芯片分布的4比特Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 糾纏態，其保真度達到92%，達到單芯片上制備同類多比特糾纏態的水平，這是分布式超導量子處理器第一次在量子糾纏態制備上達到單芯片的性能，具有里程碑意義。

最終，通過更多的跨芯片量子態傳輸和單芯片上的邏輯門操作，研究團隊實現了跨三個芯片的12比特的最大糾纏態，該GHZ態保真度達到55.8%。

 在該研究成果中，南科大量子科學與工程研究院助理研究員牛晶晶為論文第一作者，副研究員劉松和鐘有鵬為通訊作者。南科大是論文第一單位。該研究工作得到了廣東省科技廳、深圳市科創委、國家自然科學基金委和南方科技大學等部門的大力支持。

相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41928-023-00925-z