可扩展纠缠态制备实现关键一步

中国科学技术大学潘建伟及其同事苑震生、陈宇翱等在国际上首次实现对光晶格中超冷原子自旋比特纠缠态的产生、操控和探测，向基于超冷原子的可扩展量子计算和量子模拟迈出了重要一步。相关成果近日发表于《自然—物理学》。

近十几年来，已有很多实验演示了操控多个量子比特进行信息处理的可行性。但这些实验所能操控的纠缠态的比特数仅在10个左右，而未来实用化的量子计算体系需要同时操控几十乃至上百个量子比特。国际著名物理学家、诺贝尔奖获得者Anthony Leggett提出，随着近年来超冷原子量子调控技术的发展，囚禁在光晶格中的超冷原子成为解决这个关键问题的理想体系之一。

基于超冷原子光晶格体系的可拓展纠缠态产生的“三步走”方案是：首先，通过超流态到绝缘态的相变过程，使原子只能待在各自的格点上，产生规则排列的原子比特纠缠对；然后，连接相邻的原子比特纠缠对，并行实现彼此平行的横向链状原子纠缠簇态；第三，纵向并行连接纠缠原子链，实现二维的纠缠簇态，形成单向量子计算的基本资源。科学家们为实现该方案中的第一步作出了巨大努力，但一直没有获得突破。

中国科大研究团队与德国海德堡大学合作，首先把超冷铷原子的玻色—爱因斯坦凝聚态装载到三维光晶格中的一层，进一步蒸发冷却原子到低于10纳开（比零下273.15摄氏度高1亿分之一摄氏度）的超低温，实现了这层二维晶格中的超流态到莫特绝缘态的量子相变，从而获得了每个格点上只有一个原子的人工晶体。他们创造性地开发出具有自旋依赖特性的超晶格系统，形成了一系列并行的原子对，实现了对超晶格中左右格点及两种原子自旋等自由度的高保真度量子调控。他们还开发了光学分辨约为1微米的超冷原子显微镜，对这层晶格中的原子进行高分辨原位成像。

在此基础上，该研究团队首次在光晶格中并行制备并测控了约600对超冷原子比特纠缠对，即实现了可扩展纠缠态制备“三步走”方案中最关键的第一步，迈出了面向可升级量子计算的重要一步。

《自然—物理学》审稿人认为：“这一工作为产生更大的多粒子纠缠态并进行基于测量的量子计算铺平了道路。”（杨保国）