中國網/中國發展門戶網訊 中國科學技術大學潘建偉、苑震生等在超冷原子量子計算和模擬研究中取得重要進展。他們在理論上提出並實驗實現原子深度冷卻新機制的基礎上，在光晶格中首次實現了1250對原子高保真度糾纏態的同步製備，為基於超冷原子光晶格的規模化量子計算與模擬奠定了基礎。北京時間6月19日，國際著名學術期刊《科學》雜誌以“First Release”形式線上發佈了該研究成果。
基於量子力學的基本原理，量子計算和模擬被認為是後摩爾時代推動高速資訊處理的顛覆性技術，有望解決諸如高溫超導機制模擬、密碼破解等重大科學和技術問題。量子糾纏是量子計算的核心資源，量子計算的能力將隨糾纏比特數目的增長呈指數增長。因而，大規模糾纏態的製備、測量和相干操控是該研究領域的核心問題。實現大規模糾纏態的通常途徑是，先同步製備大量糾纏粒子對，然後通過量子邏輯門操作將其連接形成多粒子糾纏。因此，高品質糾纏粒子對的同步製備是實現大規模糾纏態的首要條件。十幾年來，已有很多實驗在光子、囚禁離子、中性原子等系統中演示了操控多個量子比特進行資訊處理的可行性。但是，以往的工作中，受限于糾纏對的品質和量子邏輯門的操控精度，目前人們所能製備的最大糾纏態距離實用化的量子計算和模擬所需的糾纏比特數和保真度還有很大差距。
在實現量子比特的眾多物理體系中，光晶格超冷原子比特和超導比特具備良好的可升擴展性和高精度的量子操控性，是最有可能率先實現規模化量子糾纏的系統。自2010年開始，中國科大研究團隊與德國海德堡大學合作，對基於超冷原子光晶格的可拓展量子資訊處理展開聯合攻關。在前期的研究中，該團隊使用Rb-87超冷原子製備了600多對保真度為79%的超冷原子糾纏態[Nature Physics 12, 783 (2016)]；並使用該體系調控特殊的環交換相互作用産生四體糾纏態，模擬了拓撲量子計算中的任意子激發模型[Nature Physics 13, 1195 (2017)]。以上的實驗中，由於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於10%，這對於糾纏原子對連接形成更大的多原子糾纏態和提升糾纏保真度有很大的影響。
在這項研究中，該團隊首次提出了使用交錯式晶格結構將處在絕緣態的冷原子浸泡到超流態冷原子中的新製冷機制，通過絕緣態和超流態之間高效率的原子和熵的交換，使系統中的熱量主要以超流態低能激發的形式存儲，再用精確的調控手段將超流態移除，從而獲得低熵的完美填充晶格。該實驗實現了這一製冷過程，製冷後使系統的熵降低了65倍，達到了創紀錄的低熵，使得晶格中原子填充率大幅提高到99.9%以上。在此基礎上，該團隊開發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。將處在絕緣態的樣品原子（藍綠色球）交錯浸泡到處在超流態的環境原子（紅色球）中，這兩種狀態之間高效率的原子和熵的交換，導致有能隙的絕緣態不易被激發，系統中的熱量主要以超流態低能激發的形式存儲。
《科學》雜誌的審稿人對該工作給與高度評價：“他們在原子比特中實現了我所知的最低的熵，並且是在如此大的（1萬個原子）系統中；進一步，他們報導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)）；” “開發新的晶格量子氣體製冷技術，是該學界為了研究新物態和滿足量子資訊處理需求的重要目標。有鋻於此，我認為他們實現如此大的熵減是一個突破……（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上，研究團隊將通過連接多對糾纏原子的方法，製備幾十到上百個原子比特的糾纏態，用以開展單向量子計算和複雜強關聯多體系統量子模擬研究。同時，該工作中的新製冷技術將有助於對超冷費米子系統的深度冷卻，使得系統達到模擬高溫超導物理機制的苛刻溫區。該研究成果將極大推動量子計算和模擬領域的發展。該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院、教育部和安徽省等的支援。
論文連結：
https://doi.org/10.1126/science.aaz6801
（合肥微尺度物質科學國家研究中心、物理學院、中科院量子資訊與量子科技創新研究院、科研部）