超冷原子光晶格中實現(xiàn)大規(guī)模高保真度量子糾纏對的制備
【化工儀器網(wǎng) 科技前沿】 近日，中國科學技術(shù)大學教授潘建偉、苑震生等在超冷原子量子計算和模擬研究中取得進展，在理論上提出并實驗實現(xiàn)原子深度冷卻新機制的基礎(chǔ)上，在光晶格中實現(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)?；孔佑嬎闩c模擬奠定基礎(chǔ)。
基于量子力學的基本原理，量子計算和模擬被認為是后摩爾時代推動高速信息處理的顛覆性技術(shù)，有望解決高溫超導機制模擬、密碼破解等重大科學和技術(shù)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(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現(xiàn)大規(guī)模糾纏態(tài)的首要條件。十幾年來，已有很多實驗在光子、中性原子等系統(tǒng)中演示操控多個量子比特進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，目前所能制備的大糾纏態(tài)距離實用化的量子計算和模擬所需的糾纏比特數(shù)和保真度還有很大差距。
在實現(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比特具備良好的可升擴展性和高精度的量子操控性，是可能率先實現(xiàn)規(guī)?；孔蛹m纏的系統(tǒng)。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，團隊使用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)，模擬了拓撲量子計算中的任意子激發(fā)模型[Nature Physics 13, 1195 (2017)]。以上的實驗中，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。
近期的這項研究首次提出使用交錯式晶格結(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，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。該實驗實現(xiàn)了這一制冷過程，制冷后使系統(tǒng)的熵降低65倍，達到創(chuàng)紀錄的低熵，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)有助于對超冷費米子系統(tǒng)的深度冷卻，使系統(tǒng)達到模擬高溫超導物理機制的苛刻溫區(qū)。研究團隊還將通過連接多對糾纏原子的方法，制備幾十到上百個原子比特的糾纏態(tài)，用以開展單向量子計算和復(fù)雜強關(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》上。審稿人認為，這在原子比特中實現(xiàn)了其所知的低的熵，且是在如此大(1萬個原子)的系統(tǒng)中；報道了其所知的中性原子中的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，該研究實現(xiàn)如此大的熵減是一個突破。研究工作得到科技部、國家自然科學基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。
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