物理系尤力等在《科學》發文報道確定性製備近千個原子糾纏態

清華新聞網2月12日電 2月10日，清華大學物理系尤力教授研究組在《科學》（Science）發表題為《通過量子相變確定性產生量子糾纏》（Deterministic entanglement generation from driving through quantum phase transitions）的研究論文，報道了在國際上首次利用原子玻色愛因斯坦凝聚體（BEC）確定性地製備對精密測量具有重要意義的量子糾纏態。

圖1 (a) 自旋1的旋量BEC基態取決於單原子內態的二階塞曼能移（q）和凝聚體中自旋交換相互作用強度（c2）的相對大小，依次出現Polar (P)、Broken-axis symmetry (BA)、和Twin-Fock(TF)相。(b)實驗觀察到的不同自旋分量的原子吸收成像圖，它給出了線性掃描q時BEC在各個內態上的分布隨時間的變化。

量子糾纏是一種沒有經典對應的特殊關聯。它是實現量子計算和量子模擬的重要資源，也有助於實現超越經典干涉儀（如引力波探測的光學干涉儀LIGO）的測量精度極限。自上世紀90年代量子信息研究興起以來，實現多粒子量子糾纏一直是實驗量子物理研究的一大追求。量子糾纏態已經在核自旋、離子、光子和超導量子體系等物理系統中得到實現，但是這些系統中實現的糾纏態最多只包含十個左右的粒子或等同自由度的粒子。利用冷原子體系能夠製備更大的糾纏態，可是以往的製備方式有很大的隨機性。清華物理系的冷原子實驗團隊近來取得了重大進展，在國際上首次通過調控量子相變過程實現了大粒子數量子糾纏態的確定性製備。

實驗上，該團隊首先利用冷原子技術製備了溫度約為100nK的超冷銣87原子的BEC。兩個在（F=1, mF =0）內態的銣87原子可以發生自旋交換碰撞產生糾纏的（F=1, mF =+1）和（F=1, mF =-1）粒子對（見圖1（a））。銣87原子旋量BEC的基態相圖由單原子內態的二階塞曼能移（q）（見圖1）和自旋交換相互作用強度（c2）的相對大小所決定。它具有三種相，即圖中標識的P, BA和TF，分別對應於極化(Polar)相、軸對稱破缺(Broken-axis symmetry)相、和雙數(Twin-Fock)相，由兩個量子相變點（q = ±2|c2|）分隔開。它們對應的原子內態布居分布如圖所示。在P相和TF相中，二階塞曼能(q)起主導作用。其中，P相的基態對應於所有原子都處於能量較低的無磁態（F=1, mF=0），實驗上很容易製備。而在TF相中，（F=1, mF=0）的能量較高，自旋交換相互作用使得原子趨於平均分布在磁矩相反的（F=1, mF=+1）和（F=1, mF=-1）上，這是一種高度糾纏的量子態，即所謂的雙數態。根據量子絕熱定理，從P相的基態出發，通過改變q將系統從P相絕熱掃到TF相，基態原子凝聚體將演化為雙數態，如圖1(b)所示。該團隊的研究表明受到不同量子相中低能激發的不同糾纏結構的保護，即使實驗中不能很好地維持絕熱調控，也可以實現高度糾纏的量子態的製備。

目前，該實驗平台能在每40秒內確定性地製備一個約10000個原子組成的雙數態，從非糾纏的mF=0初態到mF=±1 雙數態的凝聚體轉換效率高達96±2%。通過對比量子測量結果和多粒子糾纏判據，可以以超過68.3%的置信度確證他們產生的雙數態含有近千個原子（910）的糾纏。不論是在量子雜訊的壓縮係數上或者是在多粒子量子相干性上，他們所製備的糾纏態均處於國際領先水平。該工作首次展示了量子相變可以作為製備多體量子糾纏態的有效手段。

清華大學物理系博士後羅鑫宇、四年級博士生鄒奕權和六年級博士生吳玲娜為該論文共同第一作者。通訊作者為清華大學物理系千人計劃獲得者尤力教授和物理系青年千人計劃獲得者鄭盟錕助理教授。該研究獲得了清華大學物理系低維量子物理國家重點實驗室的大力支持，並獲得了國家科技部、國家自然科學基金委、清華大學自主研發項目的經費支持。

文章鏈接：

http://science.sciencemag.org/content/355/6325/620.full

供稿：物理系 編輯：田心