中科大在超冷原子光晶格量子計算領域獲進展

　　中國科學技術大學潘建偉及其同事苑震生、陳宇翱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，向基于超冷原子的可擴展量子計算和量子模擬邁出了重要一步。相關成果近日發表于《自然—物理學》。

　　近十幾年來，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。但這些實驗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。國際著名物理學家、諾貝爾獎獲得者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。

　　基于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，產生規則排列的原子比特糾纏對；然后，連接相鄰的原子比特糾纏對，并行實現彼此平行的橫向鏈狀原子糾纏簇態；第三，縱向并行連接糾纏原子鏈，實現二維的糾纏簇態，形成單向量子計算的基本資源。科學家們為實現該方案中的第一步作出了巨大努力，但一直沒有獲得突破。

　　中國科大研究團隊與德國海德堡大學合作，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于10納開（比零下273.15攝氏度高1億分之一攝氏度）的超低溫，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，形成了一系列并行的原子對，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。

　　在此基礎上，該研究團隊首次在光晶格中并行制備并測控了約600對超冷原子比特糾纏對，即實現了可擴展糾纏態制備“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。

　　《自然—物理學》審稿人認為：“這一工作為產生更大的多粒子糾纏態并進行基于測量的量子計算鋪平了道路。”