中国科大实现多模量子纠缠态的耗散制备

中国科学技术大学自旋磁共振实验室林毅恒教授团队与香港中文大学袁海东教授团队合作，在量子纠缠态制备领域取得重要进展。研究团队利用离子阱系统的振动模式，在实验中演示可编程耗散工程方法，成功制备稳态的两模、三模和五模量子多体纠缠态。相关成果以“Programmable Multi-Mode Entanglement via Dissipative Engineering in Vibrating Trapped Ions”为题，于7月2日发表在国际学术期刊《Science Advances》上。

多模纠缠态作为量子计算、量子通信与量子精密测量等领域的重要资源，如何实现稳定且可扩展的多模纠缠态备受关注。主要难点之一在于量子系统易受环境噪声干扰，也就是耗散现象，使得传统制备方法不得不将系统与环境隔离，以减少耗散影响。近年来，实验和理论研究带来新的思路，发现在精心设计下，耗散过程能转化为生成特定量子态的资源，即“耗散工程”，乃至于可以自发产生稳定的目标状态。然而，此前相关实验展示局限于单体或两体系统，多个玻色模式纠缠制备的实验实现仍然存在显著挑战。

本研究通过对束缚钙离子链的激光精确操控，产生耗散的自旋与多个振动模式之间的耦合，实现特定耗散过程的可控编程。这一操作使得高度纠缠的目标量子态是系统的唯一稳定状态，同时驱动其他状态自发的向目标态流动，呈现“自动稳定”的特性，大幅提升了技术的实用性和适用范围。最终，团队实现了从初始热态出发，以超过84%的保真度，确定性的制备出两模、三模和五模的多体压缩纠缠态，并进行了全面表征。其中，通过测量模式间的量子关联，以及应用van Loock–Furusawa不等式等标准判据，验证了纠缠态的成功制备及其真多体纠缠属性。

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图（a）:实验系统示意图，通过受控的耦合束缚离子的多个振动模式与耗散的自旋，实现稳态多模纠缠制备。图（b,c）:实验制备的三模和五模压缩态的部分测量结果，展示系统在多个正交状态的显著布居。

本研究充分展示了离子阱平台在连续变量量子信息处理中的独特潜力。所展示的耗散工程方法具备普适性，未来可被应用于超导电路、冷原子系统、光机械系统等多种物理平台。随着量子技术不断向工程化与系统化迈进，基于耗散的纠缠构建方法将为构建稳定可靠的量子信息处理系统提供有力支撑，在量子计算、多参数测量等研究领域发挥重要作用。

中国科学技术大学博士后李岳、博士研究生李易和程序为本文共同第一作者，林毅恒教授为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、科技部等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adv7838