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首次！中科院、北京量子院团队实现随机混态中的纠缠相变
光子盒研究院出品
近日，中科院物理研究所/北京量子信息科学研究院量子计算云平台团队，利用15个全连通超导量子比特，首次观测到随机混态中的纠缠相变现象。
2023年4月 8日，该成果以《伪随机混态纠缠相变观测》(Observation of entanglement transition of pseudo-random mixed states) 为题发表于《自然·通讯》上。
数学分析中，哈尔测度(Haar measure)是赋予局域紧致拓扑群一个“不变体积”并从而定义那些群上的函数的一个积分的一种方法。
从哈尔测度中采样的随机量子态，在量子计算优越性、量子通信、量子计量和保真度基准中有着广泛的应用。
随机量子态指的是在整个希尔伯特空间中均匀分布的量子态，由于希尔伯特空间的维数随着比特数指数增长，在实验上制备和观测多比特的随机量子态是十分困难的，谷歌团队就是利用随机量子态的制备和采样这一经典计算困难的问题来实现量子计算优越性的。
此外，由于量子混沌和黑洞物理之间的紧密联系，随机状态的减密度矩阵也引起了广泛的研究兴趣。
最近有一些理论工作预测，将随机态划分为系统和环境两部分后，改变环境和系统的相对大小，系统内会出现纠缠相变。但是这种纠缠相变需要用到纠缠负度 (negativity) 来刻画，而对多比特纠缠系统，这一实验测量一般是困难的。
同时考虑到多比特随机量子态制备的挑战性，这种纠缠相变一直没有在实验上被人们所实现和观测。
此次，实验团队通过实验证明了在一个完全连接的超导处理器上由负度见证的纠缠转变。
应用平行纠缠操作，团队大大降低了伪随机电路的深度，以产生多达15个量子比特的伪随机纯态(pseudo-random pure states)。通过对6个量子比特的还原密度矩阵进行量子状态断层扫描，团队测量了负度谱(negativity spectra)；然后，通过改变环境和子系统的大小，观察到了纠缠转换：这些纠缠转换是由基于负度谱的对数纠缠负度直接识别的。
这一结果代表了对随机量子态的纠缠负度转换的第一次实验调查。最终，团队对具有全连接性的超导处理器构成了一个有希望的平台，用于生成随机态和理解多比特量子系统的纠缠结构。
参考链接：[1]https://mp.weixin.qq.com/s/Od9PVqDmeVD_OoUop0Uh0w[2]https://www.nature.com/articles/s41467-023-37511-y
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