超冷原子量子計(jì)算與量子模擬領(lǐng)域獲重大突破

本報(bào)訊 近日，從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉、苑震生等在理論上提出并實(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)?；孔佑?jì)算與模擬奠定了基礎(chǔ)。近日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志以“首發(fā)”形式在線發(fā)布了該研究成果。

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。但是，受限于糾纏對(duì)的品質(zhì)和量子邏輯門的操控精度，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。

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)?；孔蛹m纏的系統(tǒng)。研究團(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)中的新制冷機(jī)制，通過絕緣態(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，他們開發(fā)了兩原子比特高速糾纏門，獲得了糾纏保真度為99.3%的1250對(duì)糾纏原子。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)將通過連接多對(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)。該研究成果將極大推動(dòng)量子計(jì)算和模擬領(lǐng)域的發(fā)展。