如何評價我國實現 18 個量子比特糾纏，再次刷新世界紀錄？

07-16

如何理解這個成就，有哪些意義和影響？
原文：我國實現18個量子比特糾纏再次刷新世界紀錄
新華社合肥7月2日電（記者徐海濤）多量子比特的操縱和糾纏是量子計算研究的核心指標。記者從中國科學技術大學獲悉，近期該校教授潘建偉及其同事陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等通過調控六個光子的偏振、路徑和軌道角動量三個自由度，在國際上首次實現18個光量子比特的糾纏，刷新了所有物理體系中最大糾纏態製備的世界紀錄。國際權威學術期刊《物理評論快報》日前發表了該成果。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.260502

謝邀

這篇文章利用了光子的三個自由度做編碼, 用六個光子完成了十八比特GHZ態的製備和表徵, new point在於單光子三個自由度. 這是什麼意思呢? 對於一個光子, 它可以有很多個方面的性質, 例如偏振方向, 傳輸方向, 頻率, 軌道角動量狀態等, 這些性質都可以作為量子比特編碼. 這篇工作, 利用了光的偏振, 動量, 軌道角動量作為編碼比特, 一個光子充當了三個比特, 用六個光子完成了18 qubit GHZ態 $vertpsi angle=(vert0 angle^{otimes18}+vert1 angle^{otimes18})/sqrt{2}$ 的製備, 並利用一些很精巧的手段,完成了對這個GHZ性質的標定, 技術上講, 更困難的是後者.

說到意義, 看下面有回答在噴, 也有說這個工作是標題黨的, 但是無法否認的是這篇PRL的審稿過程異常順利, 投出去的稿件幾乎沒做任何修改(只是被建議引用一個最近離子阱中20 qubits工作)直接接收.

談到這篇工作的意義, 新聞中說法固然也沒啥問題, 換個角度看也只能那麼寫, 寫一堆很technical的point公眾看起來更不知所云. 在知乎上可以更偏技術地講一講: 這個工作意味著, 我們可以在線性光學體系中完成更精確的態調控, 從而使得從前不可能完成的任務變為可能, 這是量子光學實驗技術上的一個突破. 這篇文章中對於OAM(optical orbital angular momentum, 光學軌道角動量)qubit的測量利用了兩個自由度間的CNOT門, 其中一個是Dove稜鏡結合干涉儀實現的. 而通常在多光子干涉實驗中, 實驗對於干涉儀兩臂間光程差的精確度和穩定性要求極高, 甚至大氣擾動都可能對干涉儀的對比度產生重大影響. 這篇工作利用膠合技術將分立元件構成的干涉儀小型化, 做成module用於光路中, 將干涉穩定性問題解決掉了. 也正是因為這一點, 這個工作在用了一共30個干涉儀的情況下依然能夠將測量出的糾纏態保真度保持在0.7以上(對於GHZ態, 0.5是糾纏判據的閾值, 當年離子阱中14-qubits實驗該保真度&<0.5, 只能達到提純判據).

18-qubit糾纏這樣一個工作, 本身就在量信領域極具新聞價值, 精確製備GHZ態代表了態的調控能力, 除了量子計算, 這一點對於quantum foundation等更多很physical的方面也有一定意義, 再加上這篇工作中所使用的技術, 基本都是多光子干涉領域最優的方案(包括很多原創idea), 能夠以編輯推薦(大約佔PRL文章總數的10%)發表在PRL上很正常.

最後再扯一扯: 能夠精確製備量子態在當前的量子信息領域仍然是一件非常困難的事情, 也正是因為這一點, 高保真度的通用可編程量子計算機非常困難. 於是大佬Preskill才提出了量子霸權(quantum supremacy)這樣一個概念(也就是google等公司宣稱的量子稱霸), 其大致意思是, 高保真度通用可編程量子計算機任重道遠, 但是在發展的途中還是要有一些里程碑的, 我們可以先挑選一些和實際量子系統演化overlap多一些的複雜問題(經典計算複雜的問題), 它描述了一個完全可測可控的量子系統, 解決這個問題只需讓我們的量子系統演化, 然後讀出結果即可. 這樣一個與所解決問題高overlap的物理系統, 在演化過程應當是無需糾錯的, 故實驗難度大大降低, 我們先在這麼一個更feasible的體系中幹掉經典計算機, 證明量子機器在計算方面的實力.

而多量子比特的GHZ態製備和量子霸權並不在一個維度, 它代表了精確製備量子態的能力, 這在實驗上是十分困難, 感興趣的可以去查一查文獻, 看看其它體系中GHZ最高做到了多少, 保真度是多少.

我發現還是有人不太清楚google的72 qubit和潘老師這個工作的差別？那我就來說說這個問題吧。。希望沒有太偏題。

不同語境下的qubit不能直接做比較啊。媒體為了宣傳學界的工作，必須簡化一些名詞，抓住重點。但是這樣一來，就產生了兩個誤解。

一、物理qubit和邏輯qubit不一樣。

現在一般新聞上說的都是物理qubit，而preskill在QUANTUM COMPUTING AND THE ENTANGLEMENT FRONTIER裡面提到的是：

We therefore hope to hasten the onset of the era of quantum supremacy, when we
will be able to perform tasks with controlled quantum systems going beyond what
can be achieved with ordinary digital computers.

就是說，量子霸權（quantum supremacy）是指能在量子系統裡面做一些經典計算機上面做不了的事情。也就是在這個基礎上大家說50 qubit，因為 $2^{50}approx1.1*10^{16}$ 大概就能超過當前的經典計算機。但其實上這裡指的是邏輯qubit，而不是物理qubit。我們並不能把物理上的qubit數量直接當作演算法中用的qubit數量。因為我們的qubit的操作並不完美，甚至是把qubit放在那裡，它也會慢慢變化。所以我們需要引入一些額外的qubit來輔助，實現探測錯誤，糾正錯誤。這會使得邏輯qubit和物理qubit不是一一對應的關係。對比過來，就是經典計算機中，需要引入輔助bit來實現CRC校驗，繼而糾錯一樣，當中會引入很多多餘的bit。

實際上，preskill現在更喜歡提NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）Quantum Computing in the NISQ era and beyond。

For this talk, I needed a name to describe this impending new era, so I made up a word: NISQ. This stands for Noisy Intermediate-Scale Quantum. Here 「intermediate scale」refers to the size of quantum computers which will be available in the next few years, with a number of qubits ranging from 50 to a few hundred.50 qubits is a significant milestone, because that『s beyond what can be simulated by bruteforce using the most powerful existing digital supercomputers.

可能覺得量子霸權的50 qubit被誤解，媒體宣稱已經達到量子霸權讓自己很尷尬吧。只好提一個NISQ把50 qubit作為起點了。

大家可以看到，要同時達到很低的錯誤率（這樣輔助糾錯的qubit才能少，能用上的qubit才能多），和很高的qubit數量，才能實現真正有用的糾錯量子計算。

結論就是這個地方的72qubit和18qubit都還是物理qubit，其實並不能做太多有用的事。（區分一下物理qubit和邏輯qubit，主要是反駁說幾十qubit就可以用來吃雞的某答案。）

二、不同體系的qubit不能直接比較

72 qubit和18 qubit具體指的東西都不太一樣，很難說一個比另外一個強的。。

google做的是造了一個有72 物理qubit的晶元（參考下面這張圖https://ai.googleblog.com/2018/03/a-preview-of-bristlecone-googles-new.html，其中每個X是一個物理qubit）。

然後其中藍色的是數據qubit，綠色的是測量qubit。google通過這種方式呢，可以通過測量qubit檢測數據qubit的錯誤（還不是糾錯，只是檢測錯誤而已）。

根據https://ai.googleblog.com/2018/03/a-preview-of-bristlecone-googles-new.html的說法，google的72 qubit的基本原理是和9 qubit的差不多的。

The guiding design principle for this device is to preserve the underlying physics of our previous 9-qubit linear array technology, which demonstrated low error rates for readout (1%), single-qubit gates(0.1%) and most importantly two-qubit gates (0.6%) as our best result. This device uses the same scheme for coupling, control, and readout, but is scaled to a square array of 72 qubits.

而且只有9 qubit的有文章，所以就直接用9 qubit的來介紹啦。

State preservation by repetitive error detection in a superconducting quantum circuit?

www.nature.com

參考文章裡面的示意圖。

看圖c的話就會知道，初始輸進去一個編碼在藍色（數據qubit）上面的態，然後綠色（測量qubit）初始化為 $|0 angle$ 。當數據qubit有變化的時候，因為相鄰的數據qubit都有個CZ門作用在中間的測量qubit上嘛，然後考慮只有一個數據qubit變化了，測量qubit的測量值就不再是0。然後就可以把輸出態的測量值全部輸進電腦，根據測量qubit的值來糾正數據qubit的值。這樣就實現了糾錯了。

當我們把這個體系（叫做surface code）做大，首先是變成二維，二是擴大物理qubit的數量之後。我們就可以在上面，做一些更複雜的，qubit與qubit之間的，帶檢測錯誤的門操作了，繼而也就可以實現糾錯量子計算。當然，這是很理想很理想的想法。如果真的這麼容易，可以看圖b，量子線路無非就是一些電路板上的刻蝕和物理qubit而已，隨便增加數量，有啥難的？

但是現在量子線路規模做不上去的原因很大原因就是因為，線路規模一大，線路中任意物理qubit和物理qubit之間的操作正確率就會下降。因為很難直接實現任意兩個物理qubit之間的直接作用，只能像surface code這樣，實現相鄰的物理qubit的作用，然後一點一點傳遞，間接的作用在任意兩個物理qubit之間。這樣一來，量子門的數量就會增加非常多，總體的保真度（可以看成是正確率吧）就會下降到無法接受。所以不同的物理體系，系統結構之間門的保真度不一樣，甚至想要實現的目標也不一樣。這個時候去比較物理qubit的數量是不合理的。

就拿D-Wave來說，他們的量子退火機在17年就達到了2000物理qubit。但是你不能就說他們吊打全世界其他所有研究組吧。。物理體系，系統架構不同，直接談物理qubit數量是不公平的。所以也不能直接比較google的72 qubit晶元和潘老師的18 qubit糾纏的工作。

三、如果我一定要比較呢

如果一定要比較不同物理系統，不同系統架構。那麼不是不可以，我們可以通過對qubit的操控程度來比較。畢竟，一個真正的通用量子計算機是要求實現對qubit的任意操控的。那麼用什麼來衡量對qubit的操控程度呢？可以看系統能夠實現GHZ態的最大qubit數量以及最後的保真度（設想的GHZ和實際結果之間的差距）。

GHZ態是一種糾纏態，

$|GHZ angle=frac{|0 angle^{otimes N}+|1 angle^{otimes N}}{sqrt{2}}$

對於潘老師的實驗，就是在一個光學系統中實現了6光子3自由度的糾纏

也就是實現了 $(|0 angle^{otimes 18}+|1 angle^{otimes 18})/sqrt{2}$ ，然後是0.7的保真度。

那麼google呢？

首先對於9 qubit的晶元，是可以實現GHZ態的

對於9 qubit的系統，文章也得到了一些實驗結果，實現了

$(|0 angle^{otimes 5}+|1 angle^{otimes 5})/sqrt{2}$ 的0.82保真度。

而對於72 qubit的晶元，應該有能力製備超過18 qubit的GHZ態。而我們並沒有看到（應該是做了嘗試，但是保真度太低，達不到基本要求），而且18 qubit的GHZ糾纏也確實是所有物理體系中目前的最大記錄。

四、討論

潘老師的18 qubit工作實現了目前最大數目的量子糾纏，可以說是很好的結果。

google的72 qubit不能直接和潘老師的18 qubit比較誰大，但是如果一定要比較，在實現最大GHZ態，潘老師這邊的結果更好。

從其他方面來看，google的72 qubit工作也非常的好，所以就不要關公戰秦瓊啦。

首先，祝賀潘教授團隊的突破成就，加油！

然後我想提個科普方面的問題，因為谷歌在今年年初發布了72量子比特的處理器，現在主要是研究如何取得更高的計算可靠性（實用性）。而18量子糾纏比特被稱為記錄的話，說明谷歌的72量子比特處理器不需要實現高數目的糾纏態就可以實現量子計算功能，而這貌似和報道里特彆強調的糾纏態數目對於量子計算的關鍵作用（原文「核心指標」）不符。

能不能請相關專業人士科普一下糾纏態數目對於量子計算算力的意義？我的理解是貌似存在糾纏是必要的，但數目不太相關。。。如果是如此的話，高糾纏比特數在什麼應用是關鍵的，或者說決定性的。（希望不是只在理論研究上有用）

感謝了。

信息熵與能量熵的分水嶺, 是量子計算最終的理論閾值.

量子的數量並不重要, 如果要實現全狀態的量子糾纏, 18比特(6個3自由度)可以實現2^18的遍歷搜索能力, 如果是全狀態的, 則可以稱為18比特的量子計算, 不然, 只是量子糾纏的話, 是鏈狀的, 還是全耦合的.

文章內容還很不清楚. 所以, 靜等更詳細的信息.

謝邀其實不想答這個問題工作是個好工作但是也就是一篇prl而已國內一年上百篇的prl 就因為掛上了某學術明星的名字就值得大勢報道嗎

線性光學系統早就被證實根本無法做通用量子計算老美在這個領域的經費都停了快十年了吧就留下一個潘老師的同門兄弟paul kwiat來做做量子精密測量什麼的

就因為好發文章國內很多科研機構還對這個方向趨之若鶩當然這是科研評價系統的問題這次晶元的事情國家也意識到了科研評價體系有問題現在已經在往好的方向走了

這裡不是否定潘老師他們在冷原子方向做出了很多傑出的成果現在也在把重心轉移到超導量子計算和晶元上面真心希望朱曉波王浩華們潛下心來安心做幾年學術力爭早日超越google和ibm