人民網(wang)北京6月19日(ri)電（趙竹青）1250對！潘建(jian)偉團隊成果凌晨再登《科學》。記者從(cong)中國科學院采訪獲悉，中國科學技術大學潘建(jian)偉、苑震(zhen)生(sheng)等(deng)在超冷原子量子計算(suan)和(he)模擬研究中取得重要(yao)進展(zhan)。
此(ci)次(ci)進展主要(yao)是在超冷原(yuan)子(zi)(zi)光晶格(ge)中實現(xian)大規模(mo)高保真(zhen)度(du)量子(zi)(zi)糾(jiu)纏(chan)對(dui)的(de)同步制(zhi)備。他們在理論上提出并(bing)實驗實現(xian)原(yuan)子(zi)(zi)深度(du)冷卻(que)新機(ji)制(zhi)的(de)基(ji)礎上，在光晶格(ge)中首(shou)次(ci)實現(xian)了1250對(dui)原(yuan)子(zi)(zi)高保真(zhen)度(du)糾(jiu)纏(chan)態(tai)的(de)同步制(zhi)備，為基(ji)于超冷原(yuan)子(zi)(zi)光晶格(ge)的(de)規模(mo)化量子(zi)(zi)計算與模(mo)擬奠(dian)定了基(ji)礎。
北京時間6月19日，國際著名學術期刊《科學》雜志以“First Release（預先發(fa)布）”形式(shi)在線(xian)發(fa)布了(le)該研究成(cheng)果。
聚(ju)焦未來(lai)顛覆(fu)性技術：量(liang)子計算(suan)和(he)量(liang)子模擬(ni)
基于(yu)量子力學的(de)基本原(yuan)理(li)，量子計(ji)算(suan)和模擬被認(ren)為是后摩爾時代(dai)推(tui)動高速信(xin)息處(chu)理(li)的(de)顛覆性技術，有望解決諸如高溫超導機(ji)制模擬、密碼破(po)解等重大科學和技術問題。量子糾纏(chan)(chan)是量子計(ji)算(suan)的(de)核(he)心(xin)資(zi)源(yuan)，量子計(ji)算(suan)的(de)能力將隨糾纏(chan)(chan)比特數(shu)目的(de)增(zeng)長(chang)呈指數(shu)增(zeng)長(chang)。
因而，大規(gui)模糾纏(chan)態的制備(bei)、測量(liang)和(he)相干(gan)操(cao)控是該研究領域的核心問題。
實現大規(gui)模糾纏(chan)(chan)態的通(tong)(tong)常(chang)途徑是，先(xian)同步制(zhi)備大量糾纏(chan)(chan)粒子對(dui)，然(ran)后通(tong)(tong)過量子邏輯門操作將其(qi)連接形成多粒子糾纏(chan)(chan)。因此(ci)，高(gao)品(pin)質糾纏(chan)(chan)粒子對(dui)的同步制(zhi)備是實現大規(gui)模糾纏(chan)(chan)態的首要條件。
研究人員介(jie)紹，十幾(ji)年來，已(yi)有很多實驗在光子、囚禁離(li)子、中(zhong)性原子等系統中(zhong)演(yan)示了操控(kong)(kong)多個(ge)量子比特進(jin)行(xing)信息(xi)處(chu)理的可行(xing)性。“但是(shi)，以往的工作中(zhong)，受(shou)限(xian)于(yu)糾(jiu)纏(chan)對的品質和量子邏(luo)輯門的操控(kong)(kong)精(jing)度，目前人們所能制備的最(zui)大糾(jiu)纏(chan)態距(ju)離(li)實用化的量子計算和模擬所需的糾(jiu)纏(chan)比特數和保真度還有很大差(cha)距(ju)。”
創紀錄“低(di)熵(shang)”：大(da)規模高保真制備量子糾纏
在實現(xian)量(liang)子比特的眾多(duo)物理體系(xi)中(zhong)，光晶格超(chao)(chao)冷原子比特和(he)超(chao)(chao)導比特具(ju)備良好的可(ke)升擴展性和(he)高精度的量(liang)子操控性，是最有可(ke)能率先(xian)實現(xian)規模(mo)化量(liang)子糾纏的系(xi)統(tong)。
“我(wo)國(guo)在此領域走在前列。”科研人員介紹(shao)，自(zi)2010年開(kai)始(shi)，中國(guo)科大研究(jiu)團隊(dui)與德國(guo)海德堡大學合作，對基(ji)于超冷原子光(guang)晶格的可(ke)拓展(zhan)量子信息處理展(zhan)開(kai)聯(lian)合攻關。
據介紹，在前期的(de)(de)研究中(zhong)，該團隊使用(yong)Rb-87超冷原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子制備了600多對保真(zhen)度(du)為79%的(de)(de)超冷原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子糾(jiu)(jiu)(jiu)纏態(tai)(tai)；并使用(yong)該體系調控特殊的(de)(de)環交換相(xiang)互作用(yong)產生四體糾(jiu)(jiu)(jiu)纏態(tai)(tai)，模(mo)擬了拓撲(pu)量子計算中(zhong)的(de)(de)任意子激發模(mo)型。以上的(de)(de)實驗中(zhong)，由于(yu)晶格中(zhong)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子的(de)(de)溫(wen)度(du)偏高（約10 nK），使得晶格中(zhong)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子填充缺陷大(da)于(yu)10%，這對于(yu)糾(jiu)(jiu)(jiu)纏原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子對連接形成(cheng)更大(da)的(de)(de)多原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子糾(jiu)(jiu)(jiu)纏態(tai)(tai)和提(ti)升糾(jiu)(jiu)(jiu)纏保真(zhen)度(du)有(you)很大(da)的(de)(de)影響(xiang)。
在(zai)這(zhe)項(xiang)研究中(zhong)(zhong)，團隊首(shou)次提出了使(shi)(shi)用交(jiao)錯式晶格(ge)結構將(jiang)處在(zai)絕緣態(tai)的(de)(de)(de)冷(leng)原(yuan)子浸泡到超(chao)流(liu)態(tai)冷(leng)原(yuan)子中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)新(xin)制冷(leng)機(ji)制，通過絕緣態(tai)和超(chao)流(liu)態(tai)之間高效率的(de)(de)(de)原(yuan)子和熵的(de)(de)(de)交(jiao)換，使(shi)(shi)系統(tong)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)熱量主(zhu)要以超(chao)流(liu)態(tai)低(di)能激發的(de)(de)(de)形式存儲(chu)，再用精確的(de)(de)(de)調(diao)控(kong)手段將(jiang)超(chao)流(liu)態(tai)移除，從而(er)獲得低(di)熵的(de)(de)(de)完美填充(chong)晶格(ge)。
該(gai)實驗實現(xian)了(le)這一制冷(leng)過(guo)程，制冷(leng)后使系統的(de)(de)熵降低(di)(di)了(le)65倍(bei)，達到了(le)創紀錄的(de)(de)低(di)(di)熵，使得晶格中原子填(tian)充率大幅(fu)提高(gao)到99.9%以上(shang)。在此基(ji)礎上(shang)，該(gai)團隊開(kai)發了(le)兩原子比特高(gao)速糾纏門，獲得了(le)糾纏保真度為99.3%的(de)(de)1250對糾纏原子。
研究將極大推動量子計算和模擬領(ling)域(yu)的發展
《科學》雜志的(de)審稿人對(dui)該工作給予高(gao)度評(ping)價：“他(ta)們在原子比(bi)特(te)中(zhong)實現(xian)了我(wo)所知的(de)最低(di)的(de)熵，并(bing)且(qie)是(shi)在如此大的(de)（1萬個(ge)原子）系統中(zhong)；進一步，他(ta)們報導了我(wo)所知的(de)中(zhong)性原子中(zhong)的(de)最高(gao)保真度兩比(bi)特(te)量子門。”
“開發新的晶格量(liang)子(zi)氣體制冷技術，是該(gai)學(xue)界(jie)為了研究新物(wu)態和滿足量(liang)子(zi)信息(xi)處理需求的重要(yao)目標。有鑒于(yu)此，我認(ren)為他們(men)實現如此大的熵減是一(yi)個突破……”
此項成果對于未來的(de)科(ke)研(yan)發展有何意義？中科(ke)大科(ke)研(yan)人員告訴記者，在該研(yan)究工作(zuo)的(de)基礎上，研(yan)究團隊將(jiang)通過連接(jie)多對糾(jiu)纏原子(zi)的(de)方(fang)法，制備幾十到上百(bai)個原子(zi)比特的(de)糾(jiu)纏態，用以開展單向量子(zi)計算(suan)和(he)復雜強(qiang)關聯多體系統量子(zi)模(mo)擬研(yan)究。
同時(shi)，該工(gong)作中的(de)新制冷技術將有(you)助于對超(chao)冷費米子(zi)系(xi)統的(de)深(shen)度冷卻，使得(de)系(xi)統達到模擬高溫超(chao)導物理機制的(de)苛刻溫區。
該(gai)研究工(gong)作得到(dao)了科(ke)技部(bu)、國家自(zi)然(ran)科(ke)學基金委(wei)、中科(ke)院(yuan)、教(jiao)育部(bu)和(he)安徽省(sheng)等的(de)支持(chi)。