超冷原子光晶格 量子計算獲重大突破

經濟日報8月26日訊 （記者佘惠敏、通訊員楊保國）中國科學技術大學潘建偉院士及其同事苑震生、陳宇翱教授等在國際上首次實現對光晶格中超冷原子自旋比特糾纏態的產生、操控和探測，向基於超冷原子的可擴展量子計算和量子模擬邁出了重要一步。近日，國際權威學術期刊《自然?物理學》以研究長文的形式報道了這項重要研究成果。

基於量子力學基本原理，量子信息處理技術被認為是後摩爾時代推動高速信息處理的顛覆性技術。近十幾年來，該研究領域被廣泛關注，已有很多實驗演示了操控多個量子比特進行信息處理的可行性。但迄今這些實驗中所能操控的糾纏態的比特數僅在10個左右，而未來實用化的量子計算體系需要同時操控幾十乃至上百個量子比特。所以，可拓展量子信息處理目前仍面臨重大困難，其中最關鍵的問題是如何產生和測控大量量子比特的糾纏態，並進一步開展容錯的量子計算。

國際著名物理學家Anthony Leggett提出，隨著近年來超冷原子量子調控技術的發展，囚禁在光晶格中的超冷原子成為解決這個關鍵問題的理想體系之一。在該體系中，成千上萬的超冷原子在極低溫下通過量子相變被製備到每個格點只有一個原子比特的人工晶體上，為可拓展的糾纏態產生提供大量的量子比特資源；同時，超冷原子量子比特的相干時間可以達到秒量級，並具有優異的可操控性。

基於超冷原子光晶格體系的可拓展糾纏態產生的「三步走」方案是：首先，通過超流態到絕緣態的相變過程，使原子只能待在各自的格點上，實驗獲得二維光晶格每個格點只有一個原子比特的人工晶體，產生規則排列的原子比特糾纏對；然後，連接相鄰的原子比特糾纏對，並行實現彼此平行的橫向鏈狀原子糾纏簇態；第三，縱向並行連接糾纏原子鏈，實現二維的糾纏簇態，形成單向量子計算的基本資源。近年來，科學家們為實現該方案中的第一步作出了巨大努力，但由於實驗中的各種困難，一直沒有獲得突破。

中國科大研究團隊與德國海德堡大學合作，自2010年開始對基於光晶格可拓展量子信息處理研究展開聯合攻關。他們首先把超冷銣原子的玻色-愛因斯坦凝聚態裝載到三維光晶格中的一層，進一步蒸發冷卻原子到低於10納開（比零下273.15攝氏度高1億分之一攝氏度）的超低溫，並實現了這層二維晶格中的超流態到莫特絕緣態的量子相變，從而獲得了每個格點上只有一個原子的人工晶體。他們創造性地開發出具有自旋依賴特性的超晶格系統，形成了一系列並行的原子對，並且在原子對所在的格點間用光場產生有效磁場梯度，結合微波場，實現了對超晶格中左右格點及兩種原子自旋等自由度的高保真度量子調控。他們還開發了光學分辨約為1微米的超冷原子顯微鏡，對這層晶格中的原子進行高分辨原位成像。

通過以上關鍵實驗技術的突破，該研究團隊獲得了光晶格中超冷原子量子調控能力的大幅提升，從而首次在光晶格中並行製備並測控了約600對超冷原子比特糾纏對，即實現了可擴展糾纏態製備「三步走」方案中最關鍵的第一步，邁出了面向可升級量子計算的重要一步。

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