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我国在超冷原子量子计算与量子模拟领域取得重要进展 ——中国科大在超冷原子光晶格中实现大规模高保真度量子纠缠对的同步制备

發布時間:2020-06-22來源于:中國科學技術大學

中国科学技术大学潘建伟、苑震生等在超冷原子量子计算和模拟研究中取得重要进展。他们在理论上提出并实验实现原子深度冷却新机制的基础上,在光晶格中首次实现了1250对原子高保真度纠缠态的同步制备,为基于超冷原子光晶格的规模化量子计算与模拟奠定了基础。北京时间6月19日,国际著名学术期刊《科学》杂志以“First Release”形式在线发布了该研究成果。

基于量子力學的基本原理,量子計算和模擬被認爲是後摩爾時代推動高速信息處理的顛覆性技術,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,大規模糾纏態的制備、測量和相幹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,先同步制備大量糾纏粒子對,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制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。

在实现量子比特的众多物理体系中,光晶格超冷原子比特和超导比特具备良好的可升扩展性和高精度的量子操控性,是最有可能率先实现规模化量子纠缠的系统。自2010年开始,中国科大研究团队与德国海德堡大学合作,对基于超冷原子光晶格的可拓展量子信息处理展开联合攻关。在前期的研究中,该团队使用Rb-87超冷原子制备了600多对保真度为79%的超冷原子纠缠态[Nature Physics 12, 783 (2016)];并使用该体系调控特殊的环交换相互作用产生四体纠缠态,模拟了拓扑量子计算中的任意子激发模型[Nature Physics 13, 1195 (2017)]。以上的实验中,由于晶格中原子的温度偏高(约10 nK),使得晶格中原子填充缺陷大于10%,这对于纠缠原子对连接形成更大的多原子纠缠态和提升纠缠保真度有很大的影响。

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中的新制冷機制,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。該實驗實現了這一制冷過程,制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,獲得了糾纏保真度爲99.3%的1250對糾纏原子。

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             光晶格中原子冷却的示意图。将处在绝缘态的样品原子(蓝绿色球)交错浸泡到处在超流态的环境原子(红色球)中,这两种状态之间高效率的原子和熵的交换,导致有能隙的绝缘态不易被激发,系统中的热量主要以超流态低能激发的形式存储。

 

《科学》杂志的审稿人对该工作给与高度评价:“他们在原子比特中实现了我所知的最低的熵,并且是在如此大的(1万个原子)系统中;进一步,他们报导了我所知的中性原子中的最高保真度两比特量子门(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));” “开发新的晶格量子气体制冷技术,是该学界为了研究新物态和满足量子信息处理需求的重要目标。有鉴于此,我认为他们实现如此大的熵减是一个突破……(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,制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,該工作中的新制冷技術將有助于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持。

論文鏈接: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、中科院量子信息與量子科技創新研究院、科研部)