近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、苑震生等在超冷原子量子計(jì)算和模擬研究中取得進(jìn)展，在理論上提出并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)原子深度冷卻新機(jī)制的基礎(chǔ)上，在光晶格中首次實(shí)現(xiàn)1250對原子高保真度糾纏態(tài)的同步制備，為基于超冷原子光晶格的規(guī)?；孔佑?jì)算與模擬奠定基礎(chǔ)。
基于量子力學(xué)的基本原理，量子計(jì)算和模擬被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代推動(dòng)高速信息處理的顛覆性技術(shù)，有望解決高溫超導(dǎo)機(jī)制模擬、密碼破解等重大科學(xué)和技術(shù)問題。量子糾纏是量子計(jì)算的核心資源，量子計(jì)算的能力將隨糾纏比特?cái)?shù)目的增長呈指數(shù)增長。因而，大規(guī)模糾纏態(tài)的制備、測量和相干操控是該研究領(lǐng)域的核心問題。實(shí)現(xiàn)大規(guī)模糾纏態(tài)的通常途徑是，先同步制備大量糾纏粒子對，然后通過量子邏輯門操作將其連接形成多粒子糾纏。因此，高品質(zhì)糾纏粒子對的同步制備是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模糾纏態(tài)的首要條件。十幾年來，已有很多實(shí)驗(yàn)在光子、囚禁離子、中性原子等系統(tǒng)中演示操控多個(gè)量子比特進(jìn)行信息處理的可行性。但以往的工作中，受限于糾纏對的品質(zhì)和量子邏輯門的操控精度，目前所能制備的最大糾纏態(tài)距離實(shí)用化的量子計(jì)算和模擬所需的糾纏比特?cái)?shù)和保真度還有很大差距。
在實(shí)現(xiàn)量子比特的眾多物理體系中，光晶格超冷原子比特和超導(dǎo)比特具備良好的可升擴(kuò)展性和高精度的量子操控性，是比較為有可能率先實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量子糾纏的系統(tǒng)。自2010年開始，中國科大研究團(tuán)隊(duì)與德國海德堡大學(xué)合作，對基于超冷原子光晶格的可拓展量子信息處理展開聯(lián)合攻關(guān)。在前期的研究中，團(tuán)隊(duì)使用Rb-87超冷原子制備了600多對保真度為79%的超冷原子糾纏態(tài)[Nature Physics 12, 783 (2016)]，并使用該體系調(diào)控特殊的環(huán)交換相互作用產(chǎn)生四體糾纏態(tài)，模擬了拓?fù)淞孔佑?jì)算中的任意子激發(fā)模型[Nature Physics 13, 1195 (2017)]。以上的實(shí)驗(yàn)中，晶格中原子的溫度偏高(約10 nK)，使得晶格中原子填充缺陷大于10%，這對于糾纏原子對連接形成更大的多原子糾纏態(tài)和提升糾纏保真度有很大的影響。
近期的這項(xiàng)研究首次提出使用交錯(cuò)式晶格結(jié)構(gòu)將處在絕緣態(tài)的冷原子浸泡到超流態(tài)中的新制冷機(jī)制，通過絕緣態(tài)和超流態(tài)之間高效率的原子和熵的交換，使系統(tǒng)中的熱量主要以超流態(tài)低能激發(fā)的形式存儲(chǔ)，再用精確的調(diào)控手段將超流態(tài)移除，從而獲得低熵的完美填充晶格。該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了這一制冷過程，制冷后使系統(tǒng)的熵降低65倍，達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的低熵，使晶格中原子填充率大幅提高到99.9%以上。在此基礎(chǔ)上，該研究開發(fā)了兩原子比特高速糾纏門，獲得糾纏保真度為99.3%的1250對糾纏原子。
該研究中的新制冷技術(shù)有助于對超冷費(fèi)米子系統(tǒng)的深度冷卻，使系統(tǒng)達(dá)到模擬高溫超導(dǎo)物理機(jī)制的苛刻溫區(qū)。研究團(tuán)隊(duì)還將通過連接多對糾纏原子的方法，制備幾十到上百個(gè)原子比特的糾纏態(tài)，用以開展單向量子計(jì)算和復(fù)雜強(qiáng)關(guān)聯(lián)多體系統(tǒng)量子模擬研究。
相關(guān)成果以“First Release”形式發(fā)表在《科學(xué)》上。審稿人認(rèn)為，這在原子比特中實(shí)現(xiàn)了其所知的最低的熵，且是在如此大(1萬個(gè)原子)的系統(tǒng)中;報(bào)道了其所知的中性原子中的最高保真度兩比特量子門;開發(fā)新的晶格量子氣體制冷技術(shù)，是研究新物態(tài)和滿足量子信息處理需求的重要目標(biāo)，該研究實(shí)現(xiàn)如此大的熵減是一個(gè)突破。研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。
光晶格中原子冷卻的示意圖。將處在絕緣態(tài)的樣品原子(藍(lán)綠色球)交錯(cuò)浸泡到處在超流態(tài)的環(huán)境原子(紅色球)中，這兩種狀態(tài)之間高效率的原子和熵的交換，導(dǎo)致有能隙的絕緣態(tài)不易被激發(fā)，系統(tǒng)中的熱量主要以超流態(tài)低能激發(fā)的形式存儲(chǔ)。
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