基于多超导比特的凝聚态物理问题的实验研究

Superconducting circuits are among the most promising schemes of realizing practical quantum computers and have aroused great research interest from all over the world. Resent technical progresses have enabled accurate synchronous control of dozens of superconducting qubits, which as a result, make multiqubit quantum simulation possible. This project will experimentally investigate the intriguing problems in condensed matter physics using superconducting circuits integrating up to 20 qubits: on the basis of our previous work, the many-body localization effect is further explored from the perspective of the comparison of different kinds of disorder potential; and by combining many-body localization and periodic driving, the so-called time crystal can be simulated and have revealed new physical property; in addition, we have also probed into the dynamical quantum phase transition in our all-to-all coupled system. Experimental realization of these schemes, featuring both deep physical perspective and technological innovation, can be conducted in advanced platforms being built in Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, in cooperation with domestic leading research groups. The achievements of these protocols will exhibit unique advantages of quantum simulation on the platform of superconducting qubits and lay foundations for the practical development of superconducting quantum computing.

基于超导电路的量子计算已成为国际竞争激烈的前沿和热点领域。当前该领域正朝着多比特集成的实用化方向上发展，数十个量子比特的同步操控在技术上已趋于成熟，这为实现多超导比特的量子模拟创造了基本前提。本项目将利用集成多达20个量子比特的超导电路系统在实验上探究凝聚态体系中的相关物理问题：在之前工作的基础上，我们计划进一步深入多体局域效应在不同类型的随机势的影响下的比较研究；结合多体局域和周期性驱动，时间晶体的量子模拟可以在全联通的超导系统中表现出新的物理性质；另外，我们还探讨了动力学相变在超导系统中实现的独特优势。这些方案体现了深刻的物理思想和技术创新的完美结合，但它们的实验实现需要高精度的多比特调控能力。利用物理所正在搭建先进的超导量子计算测控平台的契机，我们期望通过这些课题的科研成果展示出超导比特在量子模拟上的优势，并为其走向实用化的发展道路奠定基础。

超导量子计算是近年来最受关注的量子计算技术路线之一。目前该领域正朝着多比特集成的实用化方向上发展，已逐步迈入有噪声量子器件时代，短期内有望在量子模拟等领域发挥实用价值。本项目致力于构建多超导量子比特的测控系统，开发多比特调控技术，提升测控精度和效率，并在此基础上开展面向凝聚态物理中的多体问题的量子模拟实验研究。项目按计划顺利启动，圆满完成研究内容，在项目规划的研究领域内取得了一系列研究成果，包括：构建了多量子比特测控系统，测控能力大于40比特，并发布了可供普通用户使用量子计算云平台，为量子计算的实用化路径做了有价值的探索；在量子模拟领域，成功实现了动力学相变的量子模拟，首次利用自旋压缩系数的测量探究动力学相变的临界点性质，在另一项工作中，实现了逼近海森堡极限的多体量子纠缠并首次利用非线性自旋压缩系数研究了非高斯纠缠态的压缩性质。这些成果拓展了超导量子计算的应用前景，实验展现的多比特调控技术为超导量子计算走向实用化奠定了相关技术基础。在该项目资助下，已在国内外高水平杂志发表论文7篇，其中负责人为第一作者的文章有 Science Advances 1篇，Physical Review Letters 1篇，Optica 1篇。