范桁¹，朱晓波^2,3 

¹中科院物理所北京凝聚态物理国家实验室

²中科大合肥微尺度物质国家实验室和现代物理系

³中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心上海分部 

量子计算机在特定算法下具有超越现有计算机的能力，超导量子比特技术路线是构建量子计算机最有希望的候选者之一[1]。目前，超导量子处理器的量子位数约为9-22个[2-6]，据报道具有更多超导量子位的器件正在测试中。超导量子处理器是近期有噪音中小规模量子计算（NISQ）技术的代表，它具有中小规模的量子位数和较长的相干时间，操作、逻辑门和读出的可靠性相对较高。然而，它们还不足以超越容错和可扩展量子计算的阈值，所以不能实现全面的量子纠错，这些事实意味着当前的超导量子处理器仅可执行有限的任务，即使它目前是可扩展量子计算的主要平台之一，在这种情况下，根据量子器件参数和性能特别设计的，在实验上可实现的方案是急需的，例如，我们可以使用多量子比特超导量子处理器来模拟某些量子现象，在有限的相干时间内，这些任务的完成不需要超高精度的量子态操控。

最近，在具有12量子位一维阵列超导量子处理器上实现了强关联量子行走[7]。量子行走是经典随机行走的量子对应，是实现通用量子计算的一种途径，在过去的几年中，量子行走的实现在不同的平台得到展示，单粒子量子行走的一个特征是关联的传播，可通过测量Z方向上的关联性或通过测量纠缠来分别显示经典关联或者量子关联的传递与震荡行为。以前关于关联传播的结果包括在非确定性10~18原子[8]与离子阱平台11个囚禁离子[9]中展示的经典关联传播，在7个囚禁离子中的量子关联传播[10]。双粒子量子行走包含丰富的物理，例如，两个粒子运动所展示的聚束或反聚束现象[11]。

参考文献[7]中报道的实验，系统研究了单粒子和双粒子的量子行走。单粒子量子行走是在初始化后通过翻转一个量子比特产生的，产生的激发将在一维阵列中传播，双粒子量子行走通过产生两个激发实现，由于系统由玻色-哈伯德模型描述，初始态将按照量子力学进行演化，从而产生量子行走的结果。对于单粒子量子行走，实验精确展示了包括纠缠在内的量子信息的传播，我们可以发现不同物理量的传播可以通过类似于光锥现象的Lieb-Robinson边界来描述，由于强关联效应，两粒子量子行走展现了反聚束行为。超导量子处理器中量子行走的亮点在于：纠缠传播可以清晰地显示出来，除主波外，我们还可以观察到次波和反射波现象，这些现象以前并没有被观测到，表明此12量子位处理器可进行高精度量子行走实验，反聚束的实现是通过两个超导量子位激发实现的，这些量子位是人造原子，当激发运动时，量子位本身不会移动。以上实验结果展示了平台可精确操作，同时也容易实现其他方案，具体内容参见近期发表于Science的参考文献[7]。

超导量子处理器的量子模拟具有显著的优点：系统参数可进行编程式控制，大范围可调参数可用来模拟大范围物理现象，从而涵盖不同物理相，例如通过相变点的量子相变。超导量子计算系统友好的操控界面还有助于云操作，实现云量子计算。和其他平台类似，目前超导量子处理器适用于研究量子多体系统的动力学等，实际上，超导量子计算成熟的态层析技术可以读出随时间演化的态密度矩阵[7,12]。总之，利用12量子位的量子处理器实现量子行走[7]，表明超导量子比特技术方案是实用型通用量子计算机的主要候选者之一。

参考文献：

1.  C. Neill, et al., Science 360, 195 (2018)

2.  C. Song, et al., Phys. Rev. Lett. 119, 180511 (2017)

3.  P. V. Klimov, et al., Phys. Rev. Lett. 121, 090502 (2018)

4.  M. Gong, et al., Phys. Rev. Lett. 122, 110501 (2019)

5.  C. Song, et al., arXiv: 1905.00320

6.  K. X. Wei, et al., arXiv: 1905.05720

7.  Z. Yan, et al., Science 364, 753 (2019)

8.  M. Cheneau, et al., Nature 481, 484 (2012)

9.  P. Richerme, et al., Nature 511, 198 (2014)

10.  P. Jurcevic, et al., Nature 511, 202 (2014)

11.  P. M. Preiss, et al., Science 347, 1229 (2015)

12.  K. Xu, et al., Phys. Rev. Lett. 120, 050507 (2018)