隨機(jī)量子態(tài)指的是在整個希爾伯特空間中均勻分布的量子態(tài)，由于希爾伯特空間的維數(shù)隨著比特?cái)?shù)指數(shù)增長，在實(shí)驗(yàn)上制備和觀測多比特的隨機(jī)量子態(tài)是較為困難。同時(shí)，隨機(jī)態(tài)在黑洞物理等領(lǐng)域備受關(guān)注。有一些理論工作預(yù)測，將隨機(jī)態(tài)劃分為系統(tǒng)和環(huán)境兩部分后，改變環(huán)境和系統(tǒng)的相對大小，系統(tǒng)內(nèi)會出現(xiàn)糾纏相變。然而，這種糾纏相變需要用到糾纏負(fù)度（negativity） 來刻畫，而對多比特糾纏系統(tǒng)，這一實(shí)驗(yàn)測量頗為困難。同時(shí)考慮到多比特隨機(jī)量子態(tài)制備的挑戰(zhàn)性，這種糾纏相變未在實(shí)驗(yàn)上被科學(xué)家實(shí)現(xiàn)和觀測。

　　近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心Q03組博士研究生劉桐在研究員范桁、副研究員許凱的指導(dǎo)下，與SC5組研究員鄭東寧、副主任工程師相忠誠，以及美國加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校博士后劉尚等合作，在一個包含20比特的全連通超導(dǎo)量子芯片上首次觀測了這種相變。

　　該團(tuán)隊(duì)通過基于全連通芯片上特有的全局糾纏邏輯門以及隨機(jī)單比特邏輯門所構(gòu)建的偽隨機(jī)線路來實(shí)現(xiàn)隨機(jī)量子態(tài)的制備。由于這種全局糾纏門具有較強(qiáng)的糾纏能力，實(shí)驗(yàn)上通過較淺的偽隨機(jī)線路就可以制備出包含最多15個比特的隨機(jī)態(tài)，進(jìn)而采用量子態(tài)層析法獲得6比特的密度矩陣，實(shí)驗(yàn)上便得到待研究系統(tǒng)不同組分間的糾纏負(fù)度譜和對數(shù)負(fù)度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，糾纏負(fù)度譜的分布會隨著環(huán)境和系統(tǒng)的大小而變化，實(shí)現(xiàn)了從無糾纏相，到最大糾纏相和糾纏飽和相三種不同的糾纏特征，從而實(shí)現(xiàn)了糾纏相變的觀測。其中，最大糾纏相和糾纏飽和相可以利用對數(shù)負(fù)度的行為來區(qū)分。在特定的環(huán)境大小下，系統(tǒng)間的糾纏滿足Page提出的體積律即是最大糾纏相，而在子系統(tǒng)不同劃分下，對數(shù)負(fù)度達(dá)到一定值后飽和則為糾纏飽和相。同時(shí)，為了確認(rèn)所用線路的隨機(jī)性，實(shí)驗(yàn)采樣了多個隨機(jī)線路的字符串采樣輸出，并與隨機(jī)態(tài)所應(yīng)該滿足的Porter-Thomas分布進(jìn)行對比，確認(rèn)實(shí)驗(yàn)中所實(shí)現(xiàn)的線路層數(shù)符合隨機(jī)態(tài)制備要求。

　　相關(guān)研究成果以《偽隨機(jī)混態(tài)糾纏相變觀測》為題，發(fā)表在《自然-通訊》【Nature Communications 14, 1971 (2023)】。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、科技部、北京市自然科學(xué)基金和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等的支持。

全連通芯片與實(shí)驗(yàn)上的脈沖序列

糾纏負(fù)度譜的分布

對數(shù)負(fù)度與系統(tǒng)和環(huán)境間的關(guān)系

量子線路采樣得到字符串的概率分布