超导量子电路实现二维多光子簇态确定性生成：迈向大规模量子计算与通信

本研究通过耦合超导transmon量子比特与可调波导，开发出能确定性发射二维纠缠微波光子簇态的设备。团队采用时间-频率复用技术生成2×n网格结构，实现保真度达0.50的8比特簇态，并观测到16比特态的非零局域化纠缠。该架构为测量基量子计算和量子通信提供了可扩展的高维纠缠资源。

　　

量子纠缠网络的突破性构建
在量子计算与通信领域，多维簇态(Cluster State)是实现容错量子操作的核心资源。尽管光学系统已实现小规模簇态，但微波频段的大规模确定性生成始终面临挑战——现有方案受限于概率性制备、有限维度或低保真度。瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)联合多国团队在《Nature Communications》发表的这项研究，通过超导量子电路的创新设计，首次实现了20个微波光子构成的二维簇态确定性生成。

关键技术方法
研究采用双transmon源量子比特(S₁/S₂)架构，通过可调耦合器(C_SS)实现可控相互作用。利用参数驱动门实现CZ(Controlled-Z)和CNOT门操作，结合发射器量子比特(E₁/E₂)的受控衰减完成光子发射。采用时间-频率复用技术和高效矩阵乘积算子(MPO)层析方法，克服了传统量子态重构的指数复杂度问题。

研究结果

设备架构与簇态生成协议

通过交替执行Hadamard门、CZ门和CNOT门操作，团队构建了如图1f所示的量子电路。源量子比特(|g?/|e?/|f?能级)通过|ee?→|fg?跃迁实现π相位积累，完成CZ门(173 ns)。光子发射采用两种模式：CNOT门(110 ns)实现条件发射，SWAP门(240 ns)用于终态解耦。

状态表征
采用高效层析技术重构4-20比特态密度矩阵。四比特态保真度达84%，六比特态77%，八比特态59%。图3显示20比特态密度矩阵相位特征，其非对角元素衰减反映退相干效应。局域化纠缠分析表明，16比特态仍保持显著量子关联(图4)，过程层析预测该架构可支持更大规模态制备。

讨论与展望
该工作首次在微波频段实现20比特二维簇态的确定性生成，其架构可扩展至树状图态或环面码基态。研究揭示当前限制主要来自量子门误差(约97%保真度)和退相干时间(T₁≈22μs)。通过优化耦合器设计、提升transmon相干性，未来可构建更大规模高维纠缠态。该技术为分布式量子计算、容错量子通信提供了新范式，特别适用于波导QED网络中的资源态分发。