近日，北京大学物理学院现代光学研究所“极端光学创新研究团队”的王剑威研究员和龚旗煌院士团队在硅基集成光量子芯片上演示了基于超图态的量子信息处理与量子计算。研究团队在硅基可编程光量子芯片上发展了态空间等价方法，实现了完备四比特超图态（27类超图态+2类图态）的芯片上制备、调控、测量与实验判定，演示了基于测量超图态的通用量子计算基本操作，验证了基于超图态的盲量子计算功能。2024年3月23日，相关研究成果以“基于超图态的量子信息处理”（Demonstration of hypergraph-state quantum information processing）为题，发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

多比特纠缠态量子图态是实现基于测量的通用量子计算基础。通过对量子图态纠缠态进行一系列测量与反馈操作，可实现通用的量子计算，该架构适用于在光学体系中通用量子计算的实验实现。在这个过程中，可执行的量子计算任务由量子纠缠态结构和纠缠连接方式决定。对于熟悉的量子图态，其纠缠仅存在于最近邻量子比特间的相互作用(图1a)。超图是图的数学概念推广，量子超图态也是量子图态的一种物理推广。在超图态中引入了超边的概念，表示着多量子比特之间存在相互作用（图1b），由此可以见图态是超图态的一种特殊情况。

图1. 量子图态与量子超图态的定义。(a)量子图态，(b)量子超图态，(c)四比特量子超图态的完备分类。

量子超图态有着比量子图态更加丰富的量子非局域物理特性，在量子信息处理和量子计算中具有重要作用。例如，在基于测量的通用量子计算中，超图态具有简化量子测量的优势，仅需要泡利测量。超图态可以用于模拟凝聚态物理中的对称保护拓扑序中的非平凡相位。利用超图态可以进一步减小量子线路深度的复杂性。图态的制备与调控已经在多个量子物理平台上实现，但由于超图态的制备需要多比特纠缠操作，其实验制备与调控存在困难。

图2. 超图态光量子芯片的线路图及显微镜实物图。

在该项研究工作中，研究团队发展出了一款硅基可编程光量子芯片(图2)，通过希尔伯特态空间等价的方法，在实验上展示了对图1c中四比特完备超图态（基于局域幺正变换等价性）的制备、调控、测量与实验判定。实验中通过量子态层析、量子纠缠见证和Mermin不等式违背等实验，验证了所有27+2类超图态的高保真度制备和纠缠特性（图3a）。基于高保真制备的超图态，进一步在实验上演示了基于测量超图态的盲量子计算功能（图3b），包括：利用泡利测量进行超图态调控，颜色编码与验证。本工作展示了量子超图态作为量子图态的拓展，具有更加丰富的纠缠特性，有望应用于新型量子信息处理与通用量子计算。

图3. 量子超图态的纠缠判定及其盲量子计算演示。(a)量子态层析重构密度矩阵、量子态保真度、Mermin不等式违背测量实验结果；（b）基于测量的量子计算基本操作与颜色编码验证。

北京大学物理学院2019级博士研究生黄洁珊和2019级本科生李煦东（现哈佛大学博士研究生）为共同第一作者，王剑威为通讯作者，合作者还包括北京大学何琼毅教授、李焱教授、龚旗煌院士，北京大学物理学院博士研究生陈晓炯、翟翀昊、郑赟和池昱霖。

上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金，以及北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院、量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心、合肥量子国家实验室等大力支持。

论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46830-7