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中國科大在超冷原子光晶格中實現大規模高保真度量子糾纏對的同步制備

2020-06-19 中國科學技術大學
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  近日,中國科學技術大學教授潘建伟、苑震生等在超冷原子量子计算和模拟研究中取得进展,在理论上提出并实验实现原子深度冷却新机制的基础上,在光晶格中首次实现1250對原子高保真度糾纏態的同步制備,爲基于超冷原子光晶格的規模化量子計算與模擬奠定基礎。 

  基于量子力學的基本原理,量子計算和模擬被認爲是後摩爾時代推動高速信息處理的顛覆性技術,有望解決高溫超導機制模擬、密碼破解等重大科學和技術問題。量子糾纏是量子計算的核心資源,量子計算的能力將隨糾纏比特數目的增長呈指數增長。因而,大規模糾纏態的制備、測量和相幹操控是該研究領域的核心問題。實現大規模糾纏態的通常途徑是,先同步制備大量糾纏粒子對,然後通過量子邏輯門操作將其連接形成多粒子糾纏。因此,高品質糾纏粒子對的同步制備是實現大規模糾纏態的首要條件。十幾年來,已有很多實驗在光子、囚禁離子、中性原子等系統中演示操控多個量子比特進行信息處理的可行性。但以往的工作中,受限于糾纏對的品質和量子邏輯門的操控精度,目前所能制備的最大糾纏態距離實用化的量子計算和模擬所需的糾纏比特數和保真度還有很大差距。 

  在實現量子比特的衆多物理體系中,光晶格超冷原子比特和超導比特具備良好的可升擴展性和高精度的量子操控性,是最有可能率先實現規模化量子糾纏的系統。自2010年開始,中國科大研究團隊與德國海德堡大學合作,對基于超冷原子光晶格的可拓展量子信息處理展開聯合攻關。在前期的研究中,團隊使用Rb-87超冷原子制備了600多對保真度爲79%的超冷原子糾纏態[Nature Physics 12, 783 (2016)],並使用該體系調控特殊的環交換相互作用産生四體糾纏態,模擬了拓撲量子計算中的任意子激發模型[Nature Physics 13, 1195 (2017)]。以上的實驗中,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%,這對于糾纏原子對連接形成更大的多原子糾纏態和提升糾纏保真度有很大的影響。 

  近期的這項研究首次提出使用交錯式晶格結構將處在絕緣態的冷原子浸泡到超流態中的新制冷機制,通過絕緣態和超流態之間高效率的原子和熵的交換,使系統中的熱量主要以超流態低能激發的形式存儲,再用精確的調控手段將超流態移除,從而獲得低熵的完美填充晶格。該實驗實現了這一制冷過程,制冷後使系統的熵降低65倍,達到創紀錄的低熵,使晶格中原子填充率大幅提高到99.9%以上。在此基礎上,該研究開發了兩原子比特高速糾纏門,獲得糾纏保真度爲99.3%1250對糾纏原子。 

  該研究中的新制冷技術有助于對超冷費米子系統的深度冷卻,使系統達到模擬高溫超導物理機制的苛刻溫區。研究團隊還將通過連接多對糾纏原子的方法,制備幾十到上百個原子比特的糾纏態,用以開展單向量子計算和複雜強關聯多體系統量子模擬研究。 

  相關成果以First Release”形式發表在《科學》上。審稿人認爲,這在原子比特中實現了其所知的最低的熵,且是在如此大(1萬個原子)的系統中;報道了其所知的中性原子中的最高保真度兩比特量子門;開發新的晶格量子氣體制冷技術,是研究新物態和滿足量子信息處理需求的重要目標,該研究實現如此大的熵減是一個突破。研究工作得到科技部、國家自然科學基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。  

  論文链接 

  光晶格中原子冷卻的示意圖。將處在絕緣態的樣品原子(藍綠色球)交錯浸泡到處在超流態的環境原子(紅色球)中,這兩種狀態之間高效率的原子和熵的交換,導致有能隙的絕緣態不易被激發,系統中的熱量主要以超流態低能激發的形式存儲。 

打印 責任編輯:程博

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