我國科學家在量子計算領域取得突破

中國科學技術大學潘建偉教授及其同事苑震生、陳宇翱教授等在國際上首次實現對光晶格中超冷原子自旋比特糾纏態的產生、操控和探測，向基於超冷原子的可擴展量子計算和量子模擬邁出了重要一步。近日，《自然·物理學》在報道這項研究成果時評價：「這一工作為產生更大的多粒子糾纏態並進行基於測量的量子計算鋪平了道路。」

量子信息處理技術被認為是後摩爾時代推動高速信息處理的顛覆性技術。目前，可拓展量子信息處理仍面臨重大困難，其中最關鍵的問題是如何產生和測控大量量子比特的糾纏態。

諾貝爾物理獎獲得者安東尼·萊格特提出超冷原子光晶格體系可拓展糾纏態產生的「三步走」方案：首先是通過超流態到絕緣態的相變過程，使原子只能待在各自的格點上，實驗獲得二維光晶格每個格點只有一個原子比特人工晶體，產生規則排列的原子比特糾纏對；其次是連接相鄰的原子比特糾纏對，並行實現彼此平行的橫向鏈狀原子糾纏簇態；最後是縱向並行連接糾纏原子鏈，實現二維的糾纏簇態，形成單向量子計算的基本資源。近年來，科學家們為實現該方案中的第一步做出了巨大努力，但由於各種困難一直沒有獲得突破。

中科大研究團隊與海德堡大學合作，自2010年開始對基於光晶格可拓展量子信息處理研究展開聯合攻關。他們首先把超冷銣原子的玻色—愛因斯坦凝聚態裝載到三維光晶格中的一層，進一步蒸發冷卻原子到低於10納開（比零下273.15攝氏度高1億分之一攝氏度）的超低溫，並實現了這層二維晶格中的超流態到莫特絕緣態的量子相變，從而獲得了每個格點上只有一個原子的人工晶體。他們創造性地開發出具有自旋依賴特性的超晶格系統，形成了一系列並行的原子對，並且在原子對所在的格點間用光場產生有效磁場梯度，結合微波場，實現了對超晶格中左右格點及兩種原子自旋等自由度的高保真度量子調控。他們還開發了光學分辨約為1微米的超冷原子顯微鏡，對這層晶格中的原子進行高分辨原位成像。

以上關鍵實驗技術的突破，使我科學家對光晶格中超冷原子量子的調控能力大幅提升，從而首次在光晶格中並行製備並測控了約600對超冷原子比特糾纏對，即實現了可擴展糾纏態製備「三步走」方案中最關鍵的第一步，邁出了面向可升級量子計算的重要一步。

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