近日，beat365官方网站現代光學研究所“極端光學創新研究團隊”的王劍威研究員和龔旗煌院士團隊在矽基集成光量子芯片上演示了基于超圖态的量子信息處理與量子計算。研究團隊在矽基可編程光量子芯片上發展了态空間等價方法，實現了完備四比特超圖态（27類超圖态+2類圖态）的芯片上制備、調控、測量與實驗判定，演示了基于測量超圖态的通用量子計算基本操作，驗證了基于超圖态的盲量子計算功能。2024年3月23日，相關研究成果以“基于超圖态的量子信息處理”（Demonstration of hypergraph-state quantum information processing）為題，發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

多比特糾纏态量子圖态是實現基于測量的通用量子計算基礎。通過對量子圖态糾纏态進行一系列測量與反饋操作，可實現通用的量子計算，該架構适用于在光學體系中通用量子計算的實驗實現。在這個過程中，可執行的量子計算任務由量子糾纏态結構和糾纏連接方式決定。對于熟悉的量子圖态，其糾纏僅存在于最近鄰量子比特間的相互作用(圖1a)。超圖是圖的數學概念推廣，量子超圖态也是量子圖态的一種物理推廣。在超圖态中引入了超邊的概念，表示着多量子比特之間存在相互作用（圖1b），由此可以見圖态是超圖态的一種特殊情況。

圖1. 量子圖态與量子超圖态的定義。(a)量子圖态，(b)量子超圖态，(c)四比特量子超圖态的完備分類。

量子超圖态有着比量子圖态更加豐富的量子非局域物理特性，在量子信息處理和量子計算中具有重要作用。例如，在基于測量的通用量子計算中，超圖态具有簡化量子測量的優勢，僅需要泡利測量。超圖态可以用于模拟凝聚态物理中的對稱保護拓撲序中的非平凡相位。利用超圖态可以進一步減小量子線路深度的複雜性。圖态的制備與調控已經在多個量子物理平台上實現，但由于超圖态的制備需要多比特糾纏操作，其實驗制備與調控存在困難。

圖2. 超圖态光量子芯片的線路圖及顯微鏡實物圖。

在該項研究工作中，研究團隊發展出了一款矽基可編程光量子芯片(圖2)，通過希爾伯特态空間等價的方法，在實驗上展示了對圖1c中四比特完備超圖态（基于局域幺正變換等價性）的制備、調控、測量與實驗判定。實驗中通過量子态層析、量子糾纏見證和Mermin不等式違背等實驗，驗證了所有27+2類超圖态的高保真度制備和糾纏特性（圖3a）。基于高保真制備的超圖态，進一步在實驗上演示了基于測量超圖态的盲量子計算功能（圖3b），包括：利用泡利測量進行超圖态調控，顔色編碼與驗證。本工作展示了量子超圖态作為量子圖态的拓展，具有更加豐富的糾纏特性，有望應用于新型量子信息處理與通用量子計算。

圖3. 量子超圖态的糾纏判定及其盲量子計算演示。(a)量子态層析重構密度矩陣、量子态保真度、Mermin不等式違背測量實驗結果；（b）基于測量的量子計算基本操作與顔色編碼驗證。

beat365官方网站2019級博士研究生黃潔珊和2019級本科生李煦東（現哈佛大學博士研究生）為共同第一作者，王劍威為通訊作者，合作者還包括beat365何瓊毅教授、李焱教授、龔旗煌院士，beat365官方网站博士研究生陳曉炯、翟翀昊、鄭赟和池昱霖。

上述研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京市自然科學基金，以及beat365人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、beat365長三角光電科學研究院、量子物質科學協同創新中心、極端光學協同創新中心、合肥量子國家實驗室等大力支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46830-7