科学家首次实现多模式真纠缠声子态的制备与跨节点传输
科学家首次实现多模式真纠缠声子态的制备与跨节点传输
10月15日，中国科学院院士、深圳国际量子研究院院长俞大鹏，研究员谭电团队，联合德国斯图加特大学教授Eric Lutz等单位研究人员在《科学》发表最新成果，首次在可扩展的二维混合量子芯片实验平台上实现了多方真纠缠声子态的制备与跨节点传输。
声子是固体晶格振动的准粒子，它能够像光子一样充当量子信息的载体。高阶体声学波机械振子（HBAR）具有多模式、长寿命、可在芯片上集成等优点，是下一代量子信息处理平台的关键器件。此前，量子声学已实现机械振动模式的量子态制备、操控和存储，但如何在机械振子系统中实现大规模、多方真纠缠以及量子节点分发仍是关键难题。
该研究中，团队利用HBAR的天然多模特性，对声学模式频率分布和量子比特与声子耦合进行精确设计，使一个超导量子比特能够与多个机械模式发生强耦合相互作用，实现了多模式声子量子态的制备和操控，并扩展到两模式、四模式和六模式的真纠缠声子态。
“真纠缠意味着该量子态的纠缠不能归结为若干相互独立的低阶纠缠，而是由整个多模式系统共同分享的量子关联。这一特性是构建多节点量子网络和分布式量子信息处理的重要资源。”论文共同通讯作者谭电说道。
团队还将两个HBAR机械振子与超导量子比特、可调量子耦合器集成在同一混合量子芯片中，实现了不同HBAR节点间的量子信息交换，完成了跨两个独立HBAR机械振子的多模式真纠缠态传输，这使多模式声子纠缠从单振子内部局域资源，走向不同量子节点间分发，为未来构建机械量子网络提供实验基础。
与传统依赖三维微波腔体架构不同，该研究将HBAR、超导量子比特和可调耦合器集成在二维芯片上，避免了传统方法存在的空间与工程限制，为构建多HBAR、多量子比特的声子量子处理器提供了新的硬件架构。团队进一步提出可扩展的多HBAR混合声子量子处理架构，即将多个超导量子比特分别耦合至独立的HBAR谐振器，并通过可控耦合器实现量子比特之间的相互作用，形成可模块化扩展的多节点声子量子网络。由于单个HBAR谐振器可以支持大量声学模式，该架构有望将多模式声子纠缠资源进一步扩展到更大规模。
随着声子模式增加，多模式量子态精确表征成为关键挑战。为此，研究团队发展了量子比特复用多模式声子态层析方法。他们仅用两个超导量子比特，完成了多模式声子纠缠态的量子态层析，实现了目前量子声学平台中最大规模的多模式声子态实验表征，为未来更大规模声子量子系统的验证和控制提供了重要技术手段。
该研究不仅实现了多模式真纠缠声子态的制备和传输，更建立了具有扩展潜力的多HBAR混合量子架构。未来，通过增加HBAR机械振子和超导量子比特的数量，并利用每个HBAR的大量声学模式，可进一步扩展多模式纠缠资源，实现更大规模的声子量子态制备、传输与操控，标志着量子声学研究从少数机械模式操控，迈向多模式、多节点和可扩展的声子量子信息处理，为将来发展新型声子量子计算平台和分布式量子网络开辟了新方向。
相关论文信息： https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeh4273