Nature Physics | 超导平台实现大规模簇态制备与验证

实验平台是 105 比特的“祖冲之 3.1”超导量子处理器。相较此前版本，器件在相干性、读出链路和双比特门控制等方面都有提升：空闲态能量弛豫时间的中位数提升到 49.7 微秒，读出保真度中位数达到 99.35%，并行校准后的受控 Z 门中位保真度达到 99.50%。这些改进为后续的大规模簇态制备提供了硬件条件。

随着系统规模增大，并行双比特门和联合读出带来的相关误差会变得更加明显。为减小这类影响，本文发展了一种“动态关耦”方法：在执行双比特门和读出时，主动关闭不需要的残余耦合通道，从而降低并行操作带来的相关噪声。随后，实验通过并行受控 Z 门逐层构造一维和二维簇态，再结合稳定子随机采样以及不同读出修正方法，对簇态保真度进行估计和交叉验证。

图1. 祖冲之 3.1 处理器及其实验思路示意图：在同一平台上，本文把大规模簇态制备、拓扑性质探测与基于测量的量子计算实验联系起来

首先，在簇态制备与验证方面，本文在常规读出误差修正框架下验证了最高 95 比特一维簇态，其保真度为 0.5603±0.0084；同时实现了最高 72 比特二维三层图样簇态和 57 比特二维四层图样簇态，其保真度分别为 0.5519±0.0054 和 0.5104±0.0045。上述结果均超过多体真实纠缠判据中的 0.5 阈值，说明实验得到的簇态已经进入多体真实纠缠区域。

本文没有把簇态研究停留在制备和验证上，而是进一步考察这些簇态在具体任务中的表现。对于一维簇态，本文通过量子隐形传态实验来探测其对称性保护拓扑性质。结果表明，在加入不同类型的对称性破坏扰动后，不同输入态的传态保真度变化并不相同，说明这种传态行为和簇态的对称性质有关。

图2. 论文 Fig. 3。不同一维、二维簇态布局及其保真度随规模变化的结果。实验中可验证的簇态达到 95 比特一维和 72 比特二维。

图3. 论文 Fig. 5。二维簇态上的德意志-乔萨算法演示。图中比较了基于测量的实现与传统线路模型在不同输入规模下的输出保真度。

这项工作在超导量子计算平台上实现了更大规模的可验证簇态，并进一步完成了拓扑性质探测和测量型算法演示。因此，本文所讨论的内容并不局限于簇态的制备与验证，也涉及这类资源态在具体物理任务和计算任务中的实际作用。

对于基于测量的量子计算研究而言，本文在超导平台上提供了一组较为系统的实验结果。这些结果说明，簇态作为资源态的研究，已经可以从单纯的制备与验证进一步延伸到物理性质探测和具体算法实现。

Jiang, T., Cai, J., Huang, J. et al. "One- and two-dimensional cluster states for topological phase simulation and measurement-based quantum computation." Nat. Phys. (2026).

图文 | 黄俊翔

PKU Qtheory Group