潘建伟团队在量子计较与模仿规模获重要打破

 
 
潘建伟团队在量子计较与模仿规模获重要打破  
 

中国科学技能大学潘建伟、苑震生等在超冷原子量子计较和模仿研究中取得重要希望。他们在理论上提出并尝试实现原子深度冷却新机制的基本上，在光晶格中首次实现了1250对原子高保真度胶葛态的同步制备，为基于超冷原子光晶格的局限化量子计较与模仿奠基了基本。北京时间6月19日，国际著名学术期刊《科学》杂志以“First Release”形式在线宣布了该研究成就。

基于量子力学的根基道理，量子计较和模仿被认为是后摩尔时代敦促高速信息处理惩罚的颠覆性技能，有望办理诸如高温超导机制模仿、暗码破解等重大科学和技能问题。量子胶葛是量子计较的焦点资源，量子计较的本领将随胶葛比特数目标增长呈指数增长。因而，大局限胶葛态的制备、丈量和相干操控是该研究规模的焦点问题。实现大局限胶葛态的凡是途径是，先同步制备大量胶葛粒子对，然后通过量子逻辑门操纵将其毗连形成多粒子胶葛。因此，高品质胶葛粒子对的同步制备是实现大局限胶葛态的首要条件。十几年来，已有许多尝试在光子、囚禁离子、中性原子等系统中演示了操控多个量子比特举办信息处理惩罚的可行性。可是，以往的事情中，受限于胶葛对的品质和量子逻辑门的操控精度，今朝人们所能制备的最大胶葛态间隔实用化的量子计较和模仿所需的胶葛比特数和保真度尚有很大差距。

在实现量子比特的浩瀚物理体系中，光晶格超冷原子比特和超导比特具备精采的可升扩展性和高精度的量子操控性，是最有大概率先实现局限化量子胶葛的系统。自2010年开始，中国科大研究团队与德国海德堡大学相助，对基于超冷原子光晶格的可拓展量子信息处理惩罚展开连系攻关。在前期的研究中，该团队利用Rb-87超冷原子制备了600多对保真度为79%的超冷原子胶葛态[Nature Physics 12, 783 (2016)]；并利用该体系调控非凡的环互换彼此浸染发生四体胶葛态，模仿了拓扑量子计较中的任意子引发模子[Nature Physics 13, 1195 (2017)]。以上的尝试中，由于晶格华夏子的温度偏高（约10 nK），使得晶格华夏子填充缺陷大于10%，这对付胶葛原子对毗连形成更大的多原子胶葛态和晋升胶葛保真度有很大的影响。

在这项研究中，该团队首次提出了利用交织式晶格布局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互换，使系统中的热量主要以超流态低能引发的形式存储，再用准确的调控手段将超流态移除，从而得到低熵的完美填充晶格。该尝试实现了这一制冷进程，制冷后使系统的熵低落了65倍，到达了创记载的低熵，使得晶格华夏子填充率大幅提高到99.9%以上。在此基本上，该团队开拓了两原子比特高速胶葛门，得到了胶葛保真度为99.3%的1250对胶葛原子。

光晶格华夏子冷却的示意图。将处在绝缘态的样品原子（蓝绿色球）交织浸泡处处在超流态的情况原子（赤色球）中，这两种状态之间高效率的原子和熵的互换，导致有能隙的绝缘态不易被引发，系统中的热量主要以超流态低能引发的形式存储。

《科学》杂志的审稿人对该事情给与高度评价：“他们在原子比特中实现了我所知的最低的熵，而且是在如此大的（1万个原子）系统中；进一步，他们报导了我所知的中性原子中的最高保真度两比特量子门（They show the lowest entropy/particle that I am aware of for an atomic register, no less one of this size (10^4); further, they report the highest fidelity two-qubit gate that I am aware of for neutral atoms 0.993(1)）；” “开拓新的晶格量子气体制冷技能，是该学界为了研究新物态和满意量子信息处理惩罚需求的重要方针。有鉴于此，我认为他们实现如此大的熵减是一个打破……（Developing new cooling techniques for quantum gases in optical lattices is an important goal for the community to access novel states of matter and for quantum information applications. In that sense, I consider the impressive entropy reduction factor demonstrated here a breakthrough）。”