在NISQ时代量子处理器上的高保真AKLT态实现

AKLT态是各向同性量子海森堡自旋-$1$ 模型的基态。它表现出激发能隙与指数衰减关联函数，并在边界处具有分数量子激发。迄今为止，一维AKLT模型仅在离子阱与光子系统中得到实验实现。本工作中，我们首次在噪声中等规模量子（NISQ）时代量子设备上成功制备了AKLT态。具体而言，我们在IBM量子处理器上开发了一种非确定性算法，其中AKLT态制备所需的非酉算符被嵌入到一个酉算符中，并为每对辅助自旋-1/2引入一个额外的辅助量子比特。该酉算符由单量子比特与最近邻 $CX$ 门组成的参数化电路有效表示。与Qiskit中传统的算符分解方法相比，我们的方法仅需最近邻门便大幅降低了电路深度，同时与原算符的保真度超过 $99.99\%$。通过对每个辅助量子比特同时后选择使其属于自旋向上 $|\uparrow \rangle$ 子空间，可在量子计算机上从单态加自旋向上辅助比特的初始平凡积态演化而系统性获得AKLT态，随后通过对所有其他物理量子比特进行测量予以记录。我们展示了在IBM量子处理器上借助读出错误缓解可进一步提升实现的精度。