量子糾纏研究新突破！中國科學(xué)家新成果奠定光晶格量子計(jì)算基礎(chǔ)

量子糾纏是決定量子計(jì)算性能的重要技術(shù)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)9月6日發(fā)布消息，該校潘建偉院士、苑震生教授等與清華大學(xué)馬雄峰副教授、復(fù)旦大學(xué)周游副研究員合作，近期使用光晶格中束縛的超冷原子，通過多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)制備出多原子糾纏態(tài)，向制備和測(cè)控大規(guī)模中性原子糾纏態(tài)邁出重要一步，為研制新型高性能量子計(jì)算機(jī)奠定基礎(chǔ)。國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》不久前發(fā)表了該成果。

量子氣體顯微鏡和晶格中多體糾纏態(tài)示意圖。（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖）

量子糾纏是量子計(jì)算的核心資源，量子計(jì)算的性能將隨糾纏比特?cái)?shù)目的增長(zhǎng)呈指數(shù)增長(zhǎng)。因此，大規(guī)模量子糾纏態(tài)的制備、測(cè)量和相干操控是該研究領(lǐng)域的核心問題。在實(shí)現(xiàn)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(kuò)展性和高精度的量子操控性，成為實(shí)現(xiàn)量子信息處理的理想體系之一。

自2010年開始，中國科大研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了光晶格中原子的多體相變、原子相互作用、熵分布動(dòng)力學(xué)等，并于2020年實(shí)現(xiàn)糾纏保真度為99.3%的1000多對(duì)原子糾纏態(tài)。但是，由于技術(shù)上對(duì)單原子比特的操控仍不足，光晶格相位漂移較大，缺乏多原子糾纏判定的有效方法，進(jìn)一步連接糾纏對(duì)和測(cè)控多原子糾纏態(tài)遇到瓶頸。

一維、二維糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備流程示意簡(jiǎn)圖。（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖）

為解決上述問題，近期潘建偉、苑震生團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型的等臂交叉束干涉、自旋依賴超晶格系統(tǒng)，并集成了自主研發(fā)的單格點(diǎn)分辨、寬波段消色差的量子氣體顯微鏡和多套用于光斑形狀編輯的數(shù)字微鏡，兼具多原子全局并行和局域單格點(diǎn)測(cè)控的能力，并實(shí)現(xiàn)了晶格相位長(zhǎng)期穩(wěn)定。

在此基礎(chǔ)上，科研人員取得了填充率為99.2%的原子二維陣列的制備及原位觀測(cè)，選擇其中49對(duì)原子制備了糾纏貝爾態(tài)，平均保真度為95.6%，壽命為2.2秒。他們還使用糾纏門將相鄰糾纏對(duì)連接起來，制備了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(duì)連接和多原子糾纏判定的瓶頸，為開展更大規(guī)模的光晶格量子計(jì)算和模擬打下基礎(chǔ)。

《物理評(píng)論快報(bào)》高度評(píng)價(jià)該成果，審稿專家認(rèn)為：“此工作向使用光晶格體系開展基于測(cè)量的量子計(jì)算邁出重要一步。”