1250對(duì)!潘建偉團(tuán)隊(duì)成果凌晨再登《科學(xué)》。記者從中國(guó)科學(xué)院采訪獲悉，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、苑震生等在超冷原子量子計(jì)算和模擬研究中取得重要進(jìn)展。

此次進(jìn)展主要是在超冷原子光晶格中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高保真度量子糾纏對(duì)的同步制備。他們?cè)诶碚撋咸岢霾?shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)原子深度冷卻新機(jī)制的基礎(chǔ)上，在光晶格中首次實(shí)現(xiàn)了1250對(duì)原子高保真度糾纏態(tài)的同步制備，為基于超冷原子光晶格的規(guī)模化量子計(jì)算與模擬奠定了基礎(chǔ)。

北京時(shí)間6月19日，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志以“First Release(預(yù)先發(fā)布)”形式在線發(fā)布了該研究成果。

聚焦未來(lái)顛覆性技術(shù)：量子計(jì)算和量子模擬

基于量子力學(xué)的基本原理，量子計(jì)算和模擬被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代推動(dòng)高速信息處理的顛覆性技術(shù)，有望解決諸如高溫超導(dǎo)機(jī)制模擬、密碼破解等重大科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題。量子糾纏是量子計(jì)算的核心資源，量子計(jì)算的能力將隨糾纏比特?cái)?shù)目的增長(zhǎng)呈指數(shù)增長(zhǎng)。

因而，大規(guī)模糾纏態(tài)的制備、測(cè)量和相干操控是該研究領(lǐng)域的核心問(wèn)題。

實(shí)現(xiàn)大規(guī)模糾纏態(tài)的通常途徑是，先同步制備大量糾纏粒子對(duì)，然后通過(guò)量子邏輯門(mén)操作將其連接形成多粒子糾纏。因此，高品質(zhì)糾纏粒子對(duì)的同步制備是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模糾纏態(tài)的首要條件。

研究人員介紹，十幾年來(lái)，已有很多實(shí)驗(yàn)在光子、囚禁離子、中性原子等系統(tǒng)中演示了操控多個(gè)量子比特進(jìn)行信息處理的可行性。“但是，以往的工作中，受限于糾纏對(duì)的品質(zhì)和量子邏輯門(mén)的操控精度，目前人們所能制備的最大糾纏態(tài)距離實(shí)用化的量子計(jì)算和模擬所需的糾纏比特?cái)?shù)和保真度還有很大差距。”

創(chuàng)紀(jì)錄“低熵”：大規(guī)模高保真制備量子糾纏

在實(shí)現(xiàn)量子比特的眾多物理體系中，光晶格超冷原子比特和超導(dǎo)比特具備良好的可升擴(kuò)展性和高精度的量子操控性，是最有可能率先實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量子糾纏的系統(tǒng)。

“我國(guó)在此領(lǐng)域走在前列。”科研人員介紹，自2010年開(kāi)始，中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)與德國(guó)海德堡大學(xué)合作，對(duì)基于超冷原子光晶格的可拓展量子信息處理展開(kāi)聯(lián)合攻關(guān)。

據(jù)介紹，在前期的研究中，該團(tuán)隊(duì)使用Rb-87超冷原子制備了600多對(duì)保真度為79%的超冷原子糾纏態(tài);并使用該體系調(diào)控特殊的環(huán)交換相互作用產(chǎn)生四體糾纏態(tài)，模擬了拓?fù)淞孔佑?jì)算中的任意子激發(fā)模型。以上的實(shí)驗(yàn)中，由于晶格中原子的溫度偏高(約10 nK)，使得晶格中原子填充缺陷大于10%，這對(duì)于糾纏原子對(duì)連接形成更大的多原子糾纏態(tài)和提升糾纏保真度有很大的影響。

在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)首次提出了使用交錯(cuò)式晶格結(jié)構(gòu)將處在絕緣態(tài)的冷原子浸泡到超流態(tài)冷原子中的新制冷機(jī)制，通過(guò)絕緣態(tài)和超流態(tài)之間高效率的原子和熵的交換，使系統(tǒng)中的熱量主要以超流態(tài)低能激發(fā)的形式存儲(chǔ)，再用精確的調(diào)控手段將超流態(tài)移除，從而獲得低熵的完美填充晶格。

該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了這一制冷過(guò)程，制冷后使系統(tǒng)的熵降低了65倍，達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的低熵，使得晶格中原子填充率大幅提高到99.9%以上。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了兩原子比特高速糾纏門(mén)，獲得了糾纏保真度為99.3%的1250對(duì)糾纏原子。

研究將極大推動(dòng)量子計(jì)算和模擬領(lǐng)域的發(fā)展

《科學(xué)》雜志的審稿人對(duì)該工作給予高度評(píng)價(jià)：“他們?cè)谠颖忍刂袑?shí)現(xiàn)了我所知的最低的熵，并且是在如此大的(1萬(wàn)個(gè)原子)系統(tǒng)中;進(jìn)一步，他們報(bào)導(dǎo)了我所知的中性原子中的最高保真度兩比特量子門(mén)。”

“開(kāi)發(fā)新的晶格量子氣體制冷技術(shù)，是該學(xué)界為了研究新物態(tài)和滿足量子信息處理需求的重要目標(biāo)。有鑒于此，我認(rèn)為他們實(shí)現(xiàn)如此大的熵減是一個(gè)突破……”

此項(xiàng)成果對(duì)于未來(lái)的科研發(fā)展有何意義?中科大科研人員告訴記者，在該研究工作的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)將通過(guò)連接多對(duì)糾纏原子的方法，制備幾十到上百個(gè)原子比特的糾纏態(tài)，用以開(kāi)展單向量子計(jì)算和復(fù)雜強(qiáng)關(guān)聯(lián)多體系統(tǒng)量子模擬研究。

同時(shí)，該工作中的新制冷技術(shù)將有助于對(duì)超冷費(fèi)米子系統(tǒng)的深度冷卻，使得系統(tǒng)達(dá)到模擬高溫超導(dǎo)物理機(jī)制的苛刻溫區(qū)。

該研究工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。

關(guān)鍵詞： 量子計(jì)算