中國(guó)科大等在超冷原子光晶格量子計(jì)算領(lǐng)域取得進(jìn)展

　　最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事苑震生、陳宇翱等在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)光晶格中超冷原子自旋比特糾纏態(tài)的產(chǎn)生、操控和探測(cè)，向基于超冷原子的可擴(kuò)展量子計(jì)算和量子模擬邁出了重要一步。該研究成果以研究長(zhǎng)文的形式發(fā)表在《自然-物理學(xué)》(Nature Physics 12, 783 (2016), doi:10.1038/nphys3705)上。

　　迄今為止，已有很多實(shí)驗(yàn)演示了操控多個(gè)量子比特進(jìn)行信息處理的可行性。盡管如此，至今這些演示性實(shí)驗(yàn)中所能操控的糾纏態(tài)的比特?cái)?shù)僅是十個(gè)左右，而未來(lái)實(shí)用化的量子計(jì)算體系需要同時(shí)操控大量、數(shù)以幾十計(jì)乃至上百的量子比特。所以，可拓展量子信息處理目前仍在物理和技術(shù)上面臨重大困難，其中最關(guān)鍵的問(wèn)題是如何產(chǎn)生和測(cè)控大量量子比特的糾纏態(tài)，并進(jìn)一步開(kāi)展容錯(cuò)的量子計(jì)算。

　　國(guó)際著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Anthony Leggett在他的《二維中的物理學(xué)》講義中指出，隨著近年來(lái)超冷原子量子調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，囚禁在光晶格中的超冷原子成為解決這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的理想體系之一。在該體系中，成千上萬(wàn)的超冷原子在極低溫下通過(guò)量子相變被確定性地制備到每個(gè)格點(diǎn)有且只有一個(gè)原子比特的人工晶體上，為可拓展的糾纏態(tài)產(chǎn)生提供大量的量子比特資源;同時(shí)，超冷原子量子比特的相干時(shí)間可以達(dá)到秒的量級(jí)，并具有優(yōu)異的可操控性。

　　基于超冷原子光晶格體系的可拓展糾纏態(tài)產(chǎn)生的“三步走”方案： ①通過(guò)超流態(tài)到絕緣態(tài)的相變過(guò)程，實(shí)驗(yàn)獲得二維光晶格每個(gè)格點(diǎn)有一個(gè)原子比特人工晶體，產(chǎn)生規(guī)則排列的原子比特糾纏對(duì);②連接相鄰的原子比特糾纏對(duì)，并行實(shí)現(xiàn)彼此平行的橫向鏈狀原子糾纏簇態(tài);③縱向并行連接糾纏原子鏈，實(shí)現(xiàn)二維的糾纏簇態(tài)，形成單向量子計(jì)算的基本資源。該工作實(shí)現(xiàn)了以上步驟中最關(guān)鍵的第一步，即下圖中的規(guī)則排列的并行糾纏原子對(duì)。中間圖片形象地描述了原子自旋比特糾纏對(duì);右側(cè)的圖是實(shí)驗(yàn)中為了定量描述原子糾纏所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)。

　　基于超冷原子光晶格體系，2008年牛津大學(xué)的Jaksch小組提出了可拓展糾纏態(tài)產(chǎn)生的“三步走”方案，其中第一步就是并行的產(chǎn)生相鄰原子比特之間的糾纏，形成大量的原子比特糾纏對(duì)。之后再經(jīng)過(guò)橫向連接和縱向連接兩步即可實(shí)現(xiàn)大量量子比特的二維糾纏態(tài)，這樣就制備了基于測(cè)量的單向量子計(jì)算的基本資源。同一年，馬普量子光學(xué)所的Bloch小組實(shí)驗(yàn)演示了調(diào)控超晶格中相鄰原子超交換相互作用的能力。此后，科學(xué)家們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)“三步走”方案中的第一步做出了巨大的努力，但是由于實(shí)驗(yàn)中的各種困難一直沒(méi)有獲得突破。

　　中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)與德國(guó)海德堡大學(xué)合作，自2010年開(kāi)始對(duì)基于光晶格可拓展量子信息處理研究展開(kāi)聯(lián)合攻關(guān)。研究團(tuán)隊(duì)首先把Rb87超冷原子BEC裝載到三維光晶格中的一層，進(jìn)一步蒸發(fā)冷卻原子到低于10納開(kāi)的超低溫，并實(shí)現(xiàn)了這層二維晶格中的超流態(tài)到Mott絕緣態(tài)的量子相變，從而獲得了每個(gè)格點(diǎn)上有且只有一個(gè)原子的人工晶體。研究人員創(chuàng)造性地開(kāi)發(fā)了具有自旋依賴(lài)特性的超晶格系統(tǒng)，形成了一系列并行的雙阱勢(shì)，并且在每個(gè)雙阱勢(shì)中用光場(chǎng)產(chǎn)生了有效磁場(chǎng)梯度，結(jié)合微波場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超晶格中左右格點(diǎn)及兩種原子自旋等自由度的高保真度量子調(diào)控。該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了光學(xué)分辨約為1微米的超冷原子顯微鏡，對(duì)這層晶格中的原子進(jìn)行高分辨原位成像，具備了高分辨、高靈敏度的成像能力。通過(guò)以上關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技術(shù)的突破，該研究團(tuán)隊(duì)獲得了光晶格中超冷原子量子調(diào)控能力的大幅提升，從而首次在光晶格中并行制備并測(cè)控了約600對(duì)超冷原子比特糾纏對(duì)，即可擴(kuò)展糾纏態(tài)制備“三步走”方案中最關(guān)鍵的第一步，邁出了面向可升級(jí)量子計(jì)算的重要一步。

　　《自然-物理學(xué)》審稿人認(rèn)為，“這一工作為產(chǎn)生更大的多粒子糾纏態(tài)并進(jìn)行基于測(cè)量的量子計(jì)算鋪平了道路”。在下一步的實(shí)驗(yàn)中，該研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步降低光晶格中超冷原子的溫度，并嘗試“三步走”方案中的第二步，實(shí)現(xiàn)約百個(gè)原子比特的糾纏，開(kāi)展可擴(kuò)展量子計(jì)算和量子模擬方面的實(shí)驗(yàn)研究。

　　該研究工作得到了科技部、自然科學(xué)基金委、中科院、教育部等單位的支持。

　　中國(guó)科大等在超冷原子光晶格量子計(jì)算領(lǐng)域取得進(jìn)展