我院超导量子计算团队在分布式量子模拟领域取得研究进展
近日，在俞大鹏院士的带领下，量子科学与工程研究院超导实验室的研究员钟有鹏、副研究员牛晶晶，与南方科技大学物理系鲁大为副教授合作，在基于超导量子线路系统的分布式量子模拟领域取得重要实验进展。研究团队在实验上首次使用分布式架构实现环面码（Toric Code）模型并成功探测拓扑相位，展示了分布式架构在量子模拟领域的优势。该工作代表了分布式量子模拟的实验研究先例，相关成果以“Demonstrating Path-Independent Anyonic Braiding on a Modular Superconducting Quantum Processor”为题于2024年1月9日在线发表在学术期刊Physical Review Letters上。
图1. 环面码模型及其在分布式超导处理器上的硬件实现
超导量子计算近年来迅速发展，规模有望扩展到数千个量子比特以上，但进一步扩展比特规模面临着芯片面积受限和布线困难等挑战。分布式架构是一种有效解决集成瓶颈的方案，引起了广泛关注。分布式集成方式不仅能布局大规模量子比特，还有望克服单一芯片的物理限制，为量子计算的规模化提供更灵活可能性。
基于中等规模超导量子线路的量子模拟在拓扑态、多体局域化、非阿贝尔几何相位等物理模型上已取得多项实验进展。然而，要进一步扩大量子模拟规模，特别是在数字型量子模拟任务中，线路深度的急剧增加将面临多重挑战，包括模拟精度的降低、退相干效应的增强以及同步门优化的困难。分布式集成方式不仅能有效布局大规模比特，还有望克服单一芯片的物理架构限制，通过定制比特间的物理连接方式，规避了同步门串扰问题，从而有效节省人力、时间成本等硬件资源。因此，分布式量子模拟器有望为实现大规模量子模拟提供新的研究思路。
图2. 环面码基态制备和任意子编织实验线路，以及基态表征结果。
任意子是二维空间中的一类特殊准粒子，其非平庸的交换统计在通用拓扑量子计算中具有关键作用。环面码模型是实现任意子分数统计的一种主流方案，但通过量子模拟扩大其规模面临挑战，尤其是由于其高度纠缠的基态。在本研究中，研究团队通过多个高品质互联的超导量子芯片巧妙地实现了二维环面码模型，展示了任意子编织特性，并成功探测了拓扑相位。这是实验上首次利用分布式量子处理器模拟拓扑相位。
图3. 拓扑相位测量结果。
研究人员采用分布式超导量子处理器作为环形码模型的硬件实现，通过在不同模块间进行并行量子门操作，在三个模块上高效地生成了一个10比特的Toric Code基态，展示了分布式超导量子处理器在实现量子计算模型方面的硬件便利。此外，研究人员还提出一种利用相关性测量的方法，能够从每个编织路径中提取相位信息，以高效和可扩展的方式验证任意子编织统计的路径独立性。该方法运用通用相关性曲线，通过分解泡利分量提取必要的可观测量，为标定高复杂度的纠缠态并提取有效信息提供了解决方案。这项研究开创了用分布式量子处理器模拟拓扑相位的先例，为基于分布式架构的量子模拟提供了研究思路。
图4. 关联函数测量结果。
在该研究成果中，南科大量子科学与工程研究院副研究员牛晶晶、物理系硕士研究生李宜珊、量子院博士研究生张礼博为论文共同第一作者。牛晶晶、钟有鹏、鲁大为为共同通讯作者，俞大鹏院士为最后作者。南方科技大学量子科学与工程研究院为论文第一完成单位。该研究工作得到了广东省科技厅、深圳市科创委、国家自然科学基金委和南方科技大学等部门的大力支持。
