超冷原子量子计算与量子模拟领域获重大突破

本报讯 近日，从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟、苑震生等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了1250对原子高保真度纠缠态的同步制备，为基于超冷原子光晶格的规模化量子计算与模拟奠定了基础。近日，国际学术期刊《科学》杂志以“首发”形式在线发布了该研究成果。

量子纠缠是量子计算的核心资源，量子计算的能力将随糾缠比特数目的增长呈指数增长。因此，高品质纠缠粒子对的同步制备是实现大规模纠缠态的首要条件。但是，受限于纠缠对的品质和量子逻辑门的操控精度，目前人们所能制备的最大纠缠态距离实用化的量子计算和模拟所需的纠缠比特数和保真度还有很大差距。

光晶格超冷原子比特和超导比特具备良好的可升扩展性和高精度的量子操控性，是最有可能率先实现规模化量子纠缠的系统。研究团队首次提出了使用交错式晶格结构将处在绝缘态的冷原子浸泡到超流态中的新制冷机制，通过绝缘态和超流态之间高效率的原子和熵的交换，使系统中的热量主要以超流态低能激发的形式存储，再用精确的调控手段将超流态移除，从而获得低熵的完美填充晶格。该实验实现了这一制冷过程，制冷后使系统的熵降低了65倍，达到了创纪录的低熵，使得晶格中原子填充率大幅提高到99.9%以上。在此基础上，他们开发了两原子比特高速纠缠门，获得了纠缠保真度为99.3%的1250对纠缠原子。

在此基础上，研究团队将通过连接多对纠缠原子的方法，制备几十到上百个原子比特的纠缠态，用以开展单向量子计算和复杂强关联多体系统量子模拟研究。同时，该工作中的新制冷技术将有助于对超冷费米子系统的深度冷却，使得系统达到模拟高温超导物理机制的苛刻温区。该研究成果将极大推动量子计算和模拟领域的发展。