量子糾纏研究新突破！中國科學家新成果奠定光晶格量子計算基礎

據中國科學技術大學新聞網9月4日消息，中國科學技術大學潘建偉、苑震生等與清華大學馬雄峯、復旦大學周遊合作，使用光晶格中束縛的超冷原子，通過製備二維原子陣列、產生原子比特糾纏對、連接糾纏對的分步擴展方式製備了多原子糾纏態，並通過顯微學技術調控和觀測了其糾纏性質，向製備和測控大規模中性原子糾纏態邁出重要一步。這項研究成果近日發表在國際權威學術期刊《物理評論快報》上，美國物理學會“Physics”以《光晶格量子計算機的里程碑》（Milestone for Optical-Lattice Quantum Computer）為題作了報道。

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。在實現量子比特的眾多物理體系中，光晶格中的超冷原子比特具備良好的相干性、可擴展性和高精度的量子操控性，成為實現量子信息處理的理想物理體系之一。自2010年開始，中國科大研究團隊系統地研究了光晶格中原子的多體相變、原子相互作用、熵分佈動力學等，並於2020年實現糾纏保真度為99.3%的1000多對原子糾纏態[Nature Physics 12, 783(2016)；Nature Physics 13, 1195(2017); Science, 369,550(2020)]。這一系列研究工作推動了原子糾纏對保真度的提升和原子並行操控能力的增強，為連接擴展成更大的多原子糾纏態、進而開展量子計算研究打下基礎。但是，在之前的工作中，由於技術上對單原子比特操控能力仍然不足、光晶格相位漂移較大、缺乏多原子糾纏判定的有效方法，進一步連接糾纏對和測控多原子糾纏態遇到了瓶頸問題。

為了解決上述問題，潘建偉、苑震生團隊研發了一種新型的等臂交叉束干涉、自旋依賴超晶格系統，並集成了自主研發的單格點分辨、寬波段消色差的量子氣體顯微鏡和多套用於光斑形狀編輯的數字微鏡，兼具多原子全局並行和局域單格點測控的能力，且實現了晶格相位長期穩定。在此基礎上，該團隊取得了填充率為99.2%的原子二維陣列的製備及原位觀測，選擇其中49對原子製備了糾纏貝爾態,平均保真度為95.6%，壽命為2.2秒；進一步，他們使用糾纏門將相鄰糾纏對連接起來，製備了10原子一維糾纏鏈和8原子二維糾纏塊，首次突破了光晶格中原子糾纏對連接和多原子糾纏判定的瓶頸，為開展更大規模的光晶格量子計算和模擬打下基礎。

中國科學技術大學博士後章維勇、博士生何明根和博士後孫輝為論文的共同第一作者。該研究工作得到國家自然科學基金委、科技部、安徽省等的支持。