在量子计算的快速发展过程中，量子信息传输技术（量子态传输）的进步至关重要。

然而，当前固态量子系统在实现量子信息传输方面存在一些显著的挑战，例如量子混沌或者系统不完美，其传输的保真度和效率通常难以得到保障。

6月10日，浙江大学物理学院王浩华团队通过规避量子混沌行为，增强了量子态转移！团队使用了蒙特卡洛退火优化过程来找到最佳耦合参数，并在二维量子网络中进行了实验验证。实验共涉及36个可调超导量子比特，展示了高保真度的量子态传输。相关成果以“Enhanced quantum state transfer by circumventing quantum chaotic behavior”为题发表于国际权威学术期刊Nature。

在此之前，针对量子态传输的研究多是在一维领域展开，例如2023年，兰州大学通过数值模拟方式，探索了量子态在一维拓扑体系中的转移，利用SSH4（Su-Schrieffer-Heeger）模型研究了多端口的拓扑路由器和分束器。同年6月，吉林省量子计算与量子信息重点实验室王洪福教授研究团队则用一维时变超导电路中设计量子二极管的方法，利用拓扑边缘模之间的绝热泵浦过程，实现了单向光子边界激发的转移。并且团队通过周期调制和控制函数的最优化设计，成功实现了非互易输运。

本次浙大的工作将量子态传输从一维升级到二维系统，在量子态传输领域具有重要意义。一方面，二维系统的复杂网络结构使得量子态传输可以实现多方向、多路径的传输，大大提高了传输效率和灵活性，为构建高效的量子通信和量子计算网络提供了基础。另一方面，二维系统要求更高的控制精度和算法复杂度，推动了针对量子态精确控制和调节技术的发展。

针对量子态传输的最新研究

2023年11月，Casey Jameson, Bora Basyildiz等人在Quantum Science and Technology发表题为“Time optimal quantum state transfer in a fully-connected quantum computer ”的论文。相互作用粒子系统中量子态转移 (QST) 的速度极限不仅对量子信息处理很重要，而且与 Lieb-Robinson 型边界直接相关，后者对于理解量子多体物理的各个方面至关重要。对于强远程相互作用系统（例如全连接量子计算机），这样的速度极限仍然未知。在这里，研究人员开发了一种新的量子最速线方法，该方法可以结合汉密尔顿量的不等式约束。这种方法使研究人员能够证明全连接量子计算机可通过实验实现的汉密尔顿子类上 QST 速度的精确严格界限。

2024年3月，Guillermo F. Peñas, Ricardo Puebla, Juan José García-Ripoll在arxiv上发表题为“Multiplexed quantum state transfer in waveguides”的论文。在论文中，研究人员考虑了量子网络的实际波导实现，该实现可作为试验台，展示如何在 QED 设置中最大化量子信息的存储和操作。研究人员分析了两种使用波包工程和量子态传输协议的方法。研究人员探索了通过波导进行频率复用的极限，分析了其在给定带宽内承载和忠实传输不同频率光子的能力。研究人员进行了详细的单光子和双光子模拟，并为现实条件下相干量子态传输协议的保真度提供了理论界限。研究结果表明，最先进的实验可以使用数十个复用光子，其全局保真度满足容错量子计算的要求。但需要注意的是，必须满足单光子保真度的条件。

2024年4月，Gabor Lippner,Yujia Shi在arxiv上发表题为“Strong quantum state transfer on graphs via loop edges”的论文，研究人员量化了图中源节点和目标节点的加权循环对这些顶点之间量子态传输强度的影响。研究人员给出了循环权重的下限，以保证强传输保真度，该保真度适用于此协议可行的任何图。

量子态传输面临的挑战

当前固态量子系统在实现量子信息传输方面存在一些显著的挑战：

首先，实验通常局限于小型量子比特链，这些链由数量有限的量子比特组成，无法满足大规模量子计算的需求。这种局限性意味着目前的传输技术尚未能够扩展到更广泛的应用场景。

其次，现有的量子信息传输实验往往依赖于非通用方案。这些方案是针对特定系统或条件设计的，缺乏普遍性，难以直接应用到其他系统或不同的量子比特配置中。这导致了量子信息传输技术的扩展性问题，限制了其在不同量子网络或量子系统架构中的应用。

为了克服这些挑战，技术进步的需求变得迫切。研究者们需要开发新的技术或改进现有技术，以提高量子通信的通用性和扩展性。这不仅涉及到提高量子信息传输的保真度，还包括确保方案能够适应不同的系统和条件，从而实现更广泛的应用。

在二维中型量子处理器中实现少激发态的高效量子态传输

在本研究中，科学家们采用了一种创新的方法来提高量子态传输的保真度，这对于发展大规模量子计算技术至关重要。研究团队设计了一个包含36个可调量子比特的超导量子电路。这种电路的设计和实现标志着量子信息处理技术的一个重要进展，因为它提供了一个平台，可以在这个平台上探索和实现复杂的量子态操作和传输。超导量子电路利用了超导材料的独特性质，如在极低温度下的零电阻和高能量量子态的稳定性，这些性质有助于减少能量损耗并提高量子比特的相干性，从而使得量子态的精确操控成为可能。

量子态传输的示意图

研究中的量子比特是可调的，这意味着它们的状态可以通过外部控制信号进行精确调节，实现复杂的量子逻辑门和操作。然而，量子系统内部的复杂相互作用可能导致量子混沌行为，这种混沌行为会破坏量子态的稳定性和传输的保真度。为了克服这一挑战，研究团队开发了一套基于量子理论的通用优化程序。这些程序不仅基于量子力学的基本原理，如量子叠加和量子纠缠，而且还深入考虑了量子系统的动力学特性和非线性效应。通过这些优化程序，研究者能够精确地设计和调整量子电路的操作参数，以实现量子态的有效传输，即使在存在量子混沌的情况下也能保持高保真度。

在优化耦合的二维6×6量子比特网络中的单激发量子态传输

在优化耦合的二维量子比特系统中的双激发量子态传输

另外，研究团队展示了一种在二维量子网络中传输少粒子量子态的可扩展协议。这一协议的创新之处在于它能够处理不同类型的量子态，包括单量子比特激发态、两量子比特纠缠态，以及存在多体效应的双激发态。这种多样性和适应性使得协议不仅适用于当前的小型量子系统，而且也适用于未来可能的大规模量子网络。

在单量子比特激发的情况下，协议能够确保单个量子比特的状态在传输过程中保持其量子特性，如量子叠加和不确定性。对于两量子比特纠缠态，协议需要处理更复杂的量子关联，这些关联是量子通信和量子计算中的关键资源。此外，协议还必须能够处理多体效应，这涉及到系统中多个量子比特之间的相互作用。

为了实现高效的量子态传输，研究团队还采取了一系列研究方法包括量子态的精确初始化、量子信息的调制和解调、以及量子信道的噪声抑制。此外，研究方法还包括了对量子电路进行精确建模和仿真，以预测不同操作参数下的系统行为，并为实验提供指导。这种方法结合了理论分析和实验验证，确保了优化程序的有效性和实用性。通过在实际的量子电路中进行实验，研究团队验证了传输协议的有效性，这些实验结果为进一步优化协议提供了反馈，并证明了其在实际量子系统中的可行性。

实验结果表明，尽管实际量子设备存在一些固有的不完美性，如量子比特间的非期望耦合、设备制造缺陷以及环境噪声等因素，研究团队所开发的方法仍然能够有效地实现短距离量子通信。这一成果是通过结合量子电路的多功能性实现的，其中量子电路不仅能够执行复杂的量子逻辑门操作，还能够调整量子比特之间的相互作用，以优化量子态的传输过程。通过这种方法，研究者能够在实际的量子系统中实现高效的量子信息传输，为连接分布式量子处理器或量子寄存器提供了技术基础。

值得注意的是，实验优化是本研究中一个至关重要的步骤，它涉及到使用蒙特卡洛退火过程来寻找最优的近邻耦合参数。蒙特卡洛方法是一种基于概率统计的计算技术，而退火过程则是一种优化算法，它通过模拟金属退火过程中的物理现象来寻找问题的全局最优解。在量子态传输的实验中，这一过程特别针对量子电路的可调性限制和系统固有的不完美性，如量子比特间的非期望耦合以及设备制造上的缺陷。通过细致调整量子比特之间的耦合强度，研究者们能够在这些额外约束条件下找到最佳的耦合参数，从而优化传输路径，提高量子态的传输效率和保真度。

研究结论表明，即使在量子设备中存在交叉耦合和有缺陷的耦合器等不利因素，通过优化耦合参数，研究者们仍然能够实现高达0.90的单激发态传输保真度。此外，对于更为复杂的Bell态和双激发态，研究者们同样实现了较高的保真度传输。这些结果不仅证明了所提出方法的有效性，也展示了在实际量子系统中实现高保真度量子通信的潜力。

从前景的角度来看，这项研究提供了一种在不完美的二维量子网络中实现少粒子量子态传输的实际方法。这对于构建大规模量子计算机和量子网络具有重要意义，因为它展示了即使在现实条件下也能够实现可靠的量子信息处理和传输。

总之，这项研究通过实验优化和深入的理论分析，不仅提高了量子态传输的保真度，也为量子通信技术的发展和应用提供了坚实的基础。随着量子技术的不断进步，这些成果有望在未来的量子网络和量子计算机中发挥关键作用，推动量子信息科学向前发展。

研究团队简介

该论文通讯作者为浙江大学物理学院博士生导师王浩华。王浩华教授于南开大学获得学士学位(1999年)，于美国宾州州立大学获得博士学位(2006年)。从2010至今，任浙江大学物理学院博士生导师。研究方向为超导量子计算和量子模拟实验研究，擅长多层次立体工艺超导量子器件的设计制备和多通道微波脉冲的同步调制解调技术，致力于研发有可能用于量子计算的底层物理器件。

王浩华

王浩华教授团队在国际上首次制备了十和二十超导比特纠缠态，在浙江大学建立了超导量子芯片的全流程制备工艺，研发天目1号、莫干1号两款芯片，基于超导多比特集成器件构建了量子模拟机用于研究多体物理中的重要科学问题；共发表SCI论文70余篇，包括Nature、Science、Nature Physics、Nature Communications、Science Advances 和 Physical Review Letters 40余篇，总他引近七千次。

在超导量子计算与量子模拟的前沿领域，王浩华教授带领的团队做出了显著的学术贡献，他们的工作极大地推动了该领域的发展。

2017年，王浩华课题组与中科大、物理所、福州大学等研究小组合作，使用该超导量子处理器制备了10超导比特的GHZ全局纠缠态，创造了固态体系GHZ纠缠量子比特数的世界纪录。相关成果以“10-Qubit Entanglement and Parallel Logic Operations with a Superconducting Circuit”为题发表在2017年11月3日的Physical Review Letters（物理评论快报）上。

同时，研究团队还在一个类似的具有高连通性的5比特超导量子处理器上提出并实现了一种新型的多比特受控逻辑门方案。相关成果以“Continuous-Variable Geometric Phase and its Manipulation for Quantum Computation in a Superconducting Circuit”为题发表在2017年10月20日的Nature Communications（自然·通讯）上。在这一工作中，研究团队通过驱动处理器上的中心谐振腔，使其量子态根据量子比特的不同状态在相空间内行走不同的封闭路径。

在此基础上，研究团队成功观测到了量子力学预言中的几何相位，更发现了利用这一现象可以非常高效地一步构造出从两比特、三比特...到n比特的多重受控逻辑门。研究团队在实验上依次制备并表征了两量子比特、三量子比特、四量子比特受控逻辑门，门的保真度指标达到国际先进水平。

上述两项成果中浙江大学研究生宋超和许凯为主要实验完成人，浙江大学王浩华、福州大学郑仕标和中科大朱晓波为论文的共同通讯作者。这一系列成果得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中央高校基本科研业务费的资助。

2018年，浙大物理学院王浩华课题组与中科院物理所范桁、郑东宁研究小组和中国科学技术大学朱晓波研究小组等多个团队合作，利用集成有10个比特的超导量子处理器模拟了量子系统中的多体局域效应，在实验中首次量化展示了系统纠缠熵随时间对数增长这一多体局域的重要特征，显示了超导比特在量子模拟方面的应用前景。

相关成果以“EmulatingMany-Body Localization with a Superconducting Quantum Processor”为题发表于2018年2月2日的Physical Review Letters（物理评论快报）上。浙江大学研究生许凯和物理所研究生陈锦俊为论文的共同第一作者，浙江大学王浩华、物理所范桁和中科大朱晓波为论文的共同通讯作者。

该实验依托于一个具有高连通性的10比特超导量子处理器。任意两比特之间可以借助谐振腔相互作用，因此系统可以映射到一个有相互作用的多体模型。实验首先通过控制随机势标定了系统从热相到局域相的转变，即在不施加随机势的情况下，系统会热化；在有较强随机势的情况下，系统进入局域相并且初态信息得以保存。联合研究团队借助于超导量子处理器的可编程操控优势和高效的量子态层析技术，通过实验精确标定了半链系统密度矩阵的时间演化轨迹，从而可以量化系统纠缠熵的时间演化行为，从实验上观测到系统纠缠熵随时间的对数增长效应。

我们期待浙江大学王浩华教授及其团队在科研道路上不断取得新的突破和更多重要成果！

参考链接

https://www.nature.com/articles/s41467-024-48791-3#Sec5

https://physics.zju.edu.cn/2018/0308/c69694a1867187/page.htm

https://person.zju.edu.cn/0010051

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2058-9565/ad0770

https://link.springer.com/journal/11128

https://arxiv.org/abs/2403.12222
https://arxiv.org/abs/2404.01173