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中國科大在超冷原子光晶格中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高保真度量子糾纏對的同步制備 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)，有望解決諸如高溫超導(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)中演示了操控多個(gè)量子比特進(jìn)行信息處理的可行性。但是，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，目前人們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，是最有可能率先實(shí)現(xiàn)規(guī)�；孔蛹m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，該團(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，由于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。 在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)首次提出了使用交錯(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)的熵降低了65倍，達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的低熵，使得晶格中原子填充率大幅提高到99.9%以上。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了兩原子比特高速糾纏門，獲得了糾纏保真度為99.3%的1250對糾纏原子。  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)。 《科學(xué)》雜志的審稿人對該工作給與高度評價(jià)：“他們在原子比特中實(shí)現(xiàn)了我所知的最低的熵，并且是在如此大的（1萬個(gè)原子）系統(tǒng)中；進(jìn)一步，他們報(bào)導(dǎo)了我所知的中性原子中的最高保真度兩比特量子門（They show the lowest entropy/particle that I am aware of for an atomic register, no less one of this size (10^4); further, they report the highest fidelity two-qubit gate that I am aware of for neutral atoms 0.993(1)）；” “開發(fā)新的晶格量子氣體制冷技術(shù)，是該學(xué)界為了研究新物態(tài)和滿足量子信息處理需求的重要目標(biāo)。有鑒于此，我認(rèn)為他們實(shí)現(xiàn)如此大的熵減是一個(gè)突破……（Developing new cooling techniques for quantum gases in optical lattices is an important goal for the community to access novel states of matter and for quantum information applications. In that sense, I consider the impressive entropy reduction factor demonstrated here a breakthrough）�！� 在該研究工作的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)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。同時(shí)，該工作中的新制冷技術(shù)將有助于對超冷費(fèi)米子系統(tǒng)的深度冷卻，使得系統(tǒng)達(dá)到模擬高溫超導(dǎo)物理機(jī)制的苛刻溫區(qū)。該研究成果將極大推動(dòng)量子計(jì)算和模擬領(lǐng)域的發(fā)展。 該研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。 論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.aaz6801 |
