中科大在超冷原子光晶格量子计算领域取得进展

最近，中国科学技术大学潘建伟及其同事苑震生、陈宇翱等在国际上首次实现了对光晶格中超冷原子自旋比特纠缠态的产生、操控和探测，向基于超冷原子的可扩展量子计算和量子模拟迈出了重要一步。该研究成果以研究长文的形式发表在《自然-物理学》（Nature Physics 12, 783 (2016), doi:10.1038/nphys3705）上。

　　迄今为止，已有很多实验演示了操控多个量子比特进行信息处理的可行性。尽管如此，至今这些演示性实验中所能操控的纠缠态的比特数仅是十个左右，而未来实用化的量子计算体系需要同时操控大量、数以几十计乃至上百的量子比特。所以，可拓展量子信息处理目前仍在物理和技术上面临重大困难，其中最关键的问题是如何产生和测控大量量子比特的纠缠态，并进一步开展容错的量子计算。

　　国际著名物理学家、诺贝尔奖获得者Anthony Leggett在他的《二维中的物理学》讲义中指出，随着近年来超冷原子量子调控技术的发展，囚禁在光晶格中的超冷原子成为解决这个关键问题的理想体系之一。在该体系中，成千上万的超冷原子在极低温下通过量子相变被确定性地制备到每个格点有且只有一个原子比特的人工晶体上，为可拓展的纠缠态产生提供大量的量子比特资源；同时，超冷原子量子比特的相干时间可以达到秒的量级，并具有优异的可操控性。

　　基于超冷原子光晶格体系的可拓展纠缠态产生的“三步走”方案： ①通过超流态到绝缘态的相变过程，实验获得二维光晶格每个格点有一个原子比特人工晶体，产生规则排列的原子比特纠缠对；②连接相邻的原子比特纠缠对，并行实现彼此平行的横向链状原子纠缠簇态；③纵向并行连接纠缠原子链，实现二维的纠缠簇态，形成单向量子计算的基本资源。该工作实现了以上步骤中最关键的第一步，即下图中的规则排列的并行纠缠原子对。中间图片形象地描述了原子自旋比特纠缠对；右侧的图是实验中为了定量描述原子纠缠所采集的相关数据。

　　基于超冷原子光晶格体系，2008年牛津大学的Jaksch小组提出了可拓展纠缠态产生的“三步走”方案，其中第一步就是并行的产生相邻原子比特之间的纠缠，形成大量的原子比特纠缠对。之后再经过横向连接和纵向连接两步即可实现大量量子比特的二维纠缠态，这样就制备了基于测量的单向量子计算的基本资源。同一年，马普量子光学所的Bloch小组实验演示了调控超晶格中相邻原子超交换相互作用的能力。此后，科学家们为了实现“三步走”方案中的第一步做出了巨大的努力，但是由于实验中的各种困难一直没有获得突破。

　　中国科大研究团队与德国海德堡大学合作，自2010年开始对基于光晶格可拓展量子信息处理研究展开联合攻关。研究团队首先把Rb87超冷原子BEC装载到三维光晶格中的一层，进一步蒸发冷却原子到低于10纳开的超低温，并实现了这层二维晶格中的超流态到Mott绝缘态的量子相变，从而获得了每个格点上有且只有一个原子的人工晶体。研究人员创造性地开发了具有自旋依赖特性的超晶格系统，形成了一系列并行的双阱势，并且在每个双阱势中用光场产生了有效磁场梯度，结合微波场，实现了对超晶格中左右格点及两种原子自旋等自由度的高保真度量子调控。该团队还开发了光学分辨约为1微米的超冷原子显微镜，对这层晶格中的原子进行高分辨原位成像，具备了高分辨、高灵敏度的成像能力。通过以上关键实验技术的突破，该研究团队获得了光晶格中超冷原子量子调控能力的大幅提升，从而首次在光晶格中并行制备并测控了约600对超冷原子比特纠缠对，即可扩展纠缠态制备“三步走”方案中最关键的第一步，迈出了面向可升级量子计算的重要一步。

　　《自然-物理学》审稿人认为，“这一工作为产生更大的多粒子纠缠态并进行基于测量的量子计算铺平了道路”。在下一步的实验中，该研究团队将进一步降低光晶格中超冷原子的温度，并尝试“三步走”方案中的第二步，实现约百个原子比特的纠缠，开展可扩展量子计算和量子模拟方面的实验研究。

　　该研究工作得到了科技部、自然科学基金委、中科院、教育部等单位的支持。

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