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在量子信息技术发展中，远距离量子比特连接及高效纠缠生成存在难题。研究人员开展 “奇偶依赖态转移实现直接纠缠生成” 主题研究。他们在六超导跨导量子比特链上实现完美态转移（PST）和多比特纠缠生成，为量子计算提供新方法。
在量子信息领域蓬勃发展的当下，量子计算就像一座闪耀着无限可能的未来之城，吸引着无数科研人员为之探索。然而，这座城市的建设面临着诸多阻碍。目前，量子信息技术虽取得显著进展，但在迈向实用化的道路上，量子比特的长距离连接以及高效纠缠生成成为两大棘手难题。就好比在一座城市中，各个区域之间的交通不畅，物资（信息）难以高效流通。对于固态技术中的超导量子比特而言，其静态的特性使得传统的量子比特穿梭方案无法施展，信息只能像蜗牛一般，通过相邻量子比特间繁琐的交换操作来传递，这严重限制了纠缠生成的效率，使得构建大规模的纠缠态变得困难重重。为了打破这些困境，来自德国巴伐利亚科学院瓦尔瑟 - 迈斯纳研究所（Walther - Mei?ner - Institut）、萨尔兰大学（Saarland University）、慕尼黑工业大学（Technical University of Munich）等多个机构的研究人员踏上了探索之旅。他们开展了关于奇偶依赖态转移实现直接纠缠生成的研究，致力于为量子计算开辟新的道路。最终，他们在《Nature Communications》上发表了重要成果，为该领域带来了新的曙光。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，利用超导跨导量子比特（transmon qubits）作为实验载体，这些量子比特具备独特的物理特性，适合用于量子信息处理。其次，采用参数驱动（parametric drives）的可调谐耦合器来实现量子比特之间的耦合调控，通过精准地调节外部磁场等参数，能够灵活控制量子比特间的相互作用。此外，借助量子态层析（quantum state tomography）技术，对量子比特的状态进行精确测量和重构，获取实验中的关键数据。
研究结果
- 设备描述：实验在一个包含六个固定频率跨导量子比特qi的超导设备上进行，量子比特通过可调谐耦合器cj以环形布局连接。研究人员给出了系统的哈密顿量，描述了量子比特和耦合器的特性及相互作用。通过施加外部磁通量?cj(t)对耦合器进行参数驱动，实现量子比特间的有效相互作用。在色散区域，经过相关变换得到有效系统哈密顿量，并且通过调节参数驱动的幅度Aik，可以调整有效耦合强度Ji。
- 完美态转移协议：在N个耦合量子比特的链中，通过设置特定的耦合强度Jn=2τπn(N?n)，实现了从任意量子比特到其镜像对称量子比特的时间最优状态转移，即完美态转移（PST）。研究人员在N=6的量子比特链上，以τ=640ns 为转移时间进行实验。当激发态分别位于链的外部、中间和中心量子比特时，观察到激发态按照理论预期在转移时间后聚焦到对应的镜像对称量子比特上，且实验结果与模拟结果相符，不过转移过程中的误差主要源于退相干以及量子比特q3和q4之间的杂化。
- 完美态转移的奇偶依赖性：PST 协议在多量子比特激发的情况下，会产生额外的相互作用项，使整个链中的量子比特有效耦合。其动力学等效于一个有效的非局部奇偶依赖哈密顿量，每个镜像对称转移会产生依赖于激发数奇偶性的相位±2π。研究人员通过监测制备在量子比特qn上的叠加态∣+x>n的转移过程，验证了这种奇偶依赖特性。实验中，对量子比特q1制备不同的叠加态，应用 PST 后，通过量子态层析测量量子比特q6的状态，发现转移态的相位编码了内部量子比特激发数的奇偶性，与理论预期一致，但非理想的ZZ相互作用导致了相位偏差。
- 纠缠生成：PST 的奇偶依赖特性使其成为生成多比特纠缠的有力工具。基于图态理论，研究人员将 PST 操作分解为两体操作，发现一次 PST 操作可以在任意长度的量子比特链上直接生成格林伯格 - 霍恩 - 塞林格（Greenberger - Horne - Zeilinger，GHZ）态。研究人员在三个量子比特的链上进行实验验证，通过特定的门序列，将量子比特制备在叠加态，应用一次 PST 操作使其纠缠，再通过单量子比特门映射到 GHZ 态，得到的实验态与目标 GHZ 态的保真度达到 88.08%，接近模拟的退相干极限 89.11%。
在研究结论与讨论部分，研究人员成功在最多六个量子比特的链上实现了完美态转移协议，不仅展示了在链两端量子比特之间，还包括所有镜像对称对之间的状态转移。同时，实验验证了多激发情况下 PST 的奇偶依赖特性，并利用该特性在三量子比特链上生成了高保真度的 GHZ 态。这种方法还可基于图态理论推广到更多量子比特的情况。研究中存在的主要误差来源是门操作过程中的退相干和剩余的ZZ耦合。针对这些问题，研究人员提出了相应的解决策略，如增强静态电容耦合强度、优化量子比特频率等。此外，PST 还具有广泛的应用前景，可用于奇偶校验码、量子通信、量子传感等领域，并且能够通过多种方式进行扩展和修改，如引入量子比特失谐实现分数态转移，为模拟费米子系统和规范场理论提供可能。这项研究成果为量子计算的发展提供了一种高效的方法，有望推动量子计算从理论走向实际应用，在未来的量子技术领域发挥重要作用。
