超冷原子量子計算與量子模擬領域獲重大突破

本報訊 近日，從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉、苑震生等在理論上提出并實驗實現原子深度冷卻新機制的基礎上，在光晶格中首次實現了1250對原子高保真度糾纏態的同步制備，為基于超冷原子光晶格的規模化量子計算與模擬奠定了基礎。近日，國際學術期刊《科學》雜志以“首發”形式在線發布了該研究成果。

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。但是，受限于糾纏對的品質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。

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。研究團隊首次提出了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，制冷后使系統的熵降低了65倍，達到了創紀錄的低熵，使得晶格中原子填充率大幅提高到99.9%以上。在此基礎上，他們開發了兩原子比特高速糾纏門，獲得了糾纏保真度為99.3%的1250對糾纏原子。

在此基礎上，研究團隊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復雜強關聯多體系統量子模擬研究。同時，該工作中的新制冷技術將有助于對超冷費米子系統的深度冷卻，使得系統達到模擬高溫超導物理機制的苛刻溫區。該研究成果將極大推動量子計算和模擬領域的發展。