一步制备多超导比特纠缠态

量子纠缠是量子物理最违反直觉的现象之一，也是实现量子计算、量子通讯和量子模拟等领域任务的重要资源。因此，如何在各种物理系统中实多粒子纠缠态的高效制备是现代量子科技领域非常重要的研究课题。多粒子纠缠态的制备方式可以利用量子门逐步产生：纠缠粒子的数量一次操作仅增加一个；因此，制备所需的时间也将随着量子比特数的增加而增加。同时，当纠缠量子比特数增加时，各个量子门操作的误差也会累积。另外，多粒子纠缠态也可以通过精确设计的多粒子相互作用哈密顿量的一步操作而成功制备，不管需要纠缠的粒子数量的多少，因而受到越来越多的关注。

超导量子比特是基于超导约瑟夫森结器件的量子比特，是量子计算实现最有前景的物理载体之一。一步纠缠制备可以在连接到一个公共谐振腔的多超导比特的量子芯片上完成。但是，由于各个比特与谐振腔耦合强度是不同的，随着量子比特个数的增加，产生的多粒子纠缠态的保真度将急剧下降。这是因为一步制备的方法要求两量子比特间等效的耦合强度必须是一样的，从而才能使得各个比特态的演化是同步的，同时到达所要求的状态，否则制备出的纠缠态保真度会降低。

最近，华南师范大学薛正远研究员课题组提出了一步制备多超导比特纠缠态的方案，解决了由于比特间等效耦合强度不同而带来的制备出的纠缠态保真度下降的问题。所建议的纠缠制备方案如图1所示，线路电动力学的两个耦合超导传输线腔由一个耦合器件相连接，每个腔均包含N个与腔耦合的超导量子比特。此时，通过对每一个量子比特加一个z方向交流驱动场来实现对比特和腔耦合强度的调节，使它们能够保持一致，达到一步制备多粒子纠缠态的要求。同时，为了获得想要的多量子比特相互作用，每个量子比特还需要加x方向交流驱动场。通过选择适当的参数，从理论上证明了多粒子GHZ态可以一步制备成功。

图1 耦合腔体系的构造.

图2所示是双耦合腔与单腔两种情形下制备两比特纠缠态的保真度随时间变化的曲线，其中红色实线表示的是双耦合腔制备GHZ态的情况，蓝色的虚线表示的是单腔制备GHZ态的情况。理论上，当δt=2π时，多粒子纠缠态将成功制备。此时，红色实线的保真度达到99.02%，高于处于蓝色虚线的结果，也就是说，双耦合腔纠缠制备的效果要好于单腔的情形。

图2 双耦合腔（红色实线）与单个腔（蓝色虚线）的

两比特纠缠态的保真度随时间变化的曲线.

通信作者：薛正远，华南师范大学物理与电信工程学院研究员，主要研究方向为超导量子计算和拓扑量子模拟，E-mail: zyxue@scnu.edu.cn

文章链接：

Xiao-Tao Mo and Zheng-Yuan Xue, Single-step multipartite entangled states generation from coupled circuit cavities, Front. Phys. 14(3), 31602 (2019)